暗物质现身?中国科学家:银河系中心正在发生极为奇怪的事

2021-03-06 00:19:17 星空天文

如何解释银河系中心的一个怪现象?

银河系中心。ESO / S. Brunier

我们生活在银河系内。而银河系的中心有许多谜团。其中之一是科学家不知道为什么银心区域会产生异常明亮的超高能伽马射线辐射。

最近两位中国科学家将这一谜团和另一个困扰了科学家半个多世纪的谜团——暗物质之谜联系了起来。他们认为,银河系中心区域暗物质密度很高,暗物质粒子会在那里转化成常规物质粒子,继而产生超量的伽马射线。

根据科学家的估算,暗物质占到了整个宇宙物质总量的80%以上。科学家根据星系自转速度推测,宇宙中存在着额外的引力源。这些引力源看不见,因此被叫做暗物质。

科学家一直在致力于寻找暗物质,并提出了许多理论。但是几十年过去了,仍然一无所获。而不断涌现的观测证据仍然在巩固暗物质理论的地位。许多科学家相信暗物质是一种身份不明的粒子。它不和光相互作用,也不产生强核力。暗物质粒子可能会与弱核力有关,但却也难以被证明。

也许此刻有上万亿的暗物质粒子正在默默地穿越我们的身体,但我们却毫无察觉。不过暗物质却可以用引力证明自己的存在。在这个宇宙中,只要有质量和能量,一切都会产生引力。因此一直以来,唯一可以研究暗物质的方式,是研究它们和普通物质之间的引力互动——比如研究星系中恒星们的运动特点。

但是1月28日发表在论文预印本网站arXiv上的一篇文章认为,暗物质有另外的行为方式。

伽马射线是一种超高能电磁辐射,通常是由宇宙中的高能事件产生的。比如超新星爆发。但是近年来科学家却发现,我们的银河系中心产生的伽马射线量,要远远多于这些灾难性事件产生的伽马射线总和。

论文从此切入,认为银河系中心产生的超量伽马射线与一种高能电子有关。

电子是轻子的一种。而这些高能电子产生伽马射线的能力,要比灾难性天体事件强得多。这些电子本身是难以探测的,因为它们非常微小。但是当它们大批穿越星际空间时,会偶发性地和光子发生碰撞。碰撞会让光子携带的能量猛增,使之跃入伽马射线的频段。

碰撞可以解释银河系中心为什么会产生那么多的伽马射线。但是问题是,这些高能电子是从哪里来的?

中国粒子天体物理重点实验室的两位科学家(署名为Sun Xu-Dong和Dai Ben-Zhong)在论文中阐述了假想中的暗物质粒子在极端环境中因引力而发生碰撞,并形成普通物质粒子在理论上的可能性。

根据他们提供的理论模型,暗物质粒子可以转化成轻子。它们会在引力的作用下发生碰撞,进而湮灭。而湮灭的产物就是高能电子。

这样的湮灭在银河系中心这样的地方会变得更容易发生,因为科学家相信,银河系中心通常是暗物质密度最高的地方。湮灭产生的高能电子进而在穿越星际空间时和光子碰撞,将其转化为伽马射线。所以我们才会发现,银河系中心会产生超量的伽马射线。

这只是个假说,但它为我们提供了一条新的思路:暗物质是否真的会变成普通物质呢?

从地球角度看到的银河系。ESO / S. Brunier

参考

Dark matter annihilation into leptons through gravity portals

https://arxiv.org/abs/2008.02994

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