暗物質「故事」的轉折點

原標題：暗物質「故事」的轉折點

圖為英仙座星系團的合成圖像，數據來源於NASA錢德拉X射線天文台，歐洲空間局XMM-牛頓衛星和「瞳」衛星——日本航天局領導的X射線望遠鏡。

Credits: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS

對從英仙座星系團獲得的X射線數據進行一種全新的解讀，或許可以幫助科學家們解答他們鑽研了幾十年的問題：暗物質的本質是什麼。

這一發現涉及到對一些X射線望遠鏡所做出的一系列結果的全新解釋；這些望遠鏡包括NASA錢德拉X射線天文台，歐洲空間局XMM-牛頓衛星和日本航天局X射線望遠鏡「瞳」。如果該理論在未來的觀測中得到證實，將是人類在理解暗物質方面邁出的一大步。暗物質神秘而不可見，在宇宙中占物質總量的85%。

來自牛津大學、領導這次新研究的約瑟夫?康倫（Joseph Conlon）說：「我們預計這個結果要麼非常重要，要麼是一場空歡喜。當你在尋找一個最大的科學問題的答案時，我認為折中點是不存在的。」

這個故事開始於2014年，位於麻省的哈佛史密松天體物理中心的埃斯拉?布爾布爾（Esra Bulbul）領銜的一個研究團隊使用錢德拉望遠鏡與XMM-牛頓望遠鏡在英仙星系團的熾熱氣體中觀測到一個特定能量的輻射峰。

這個「尖峰」，或者稱為發射線，在能譜上位於3.5 keV（千電子伏特）能量處。這條3.5千電子伏特發射線的強度，很難用先前已觀測到或者預測的天體特徵進行解釋，這指示它可能起源於暗物質。 在一項使用XMM-牛頓望遠鏡觀測73個其他星系團的研究中，Bulbul和他的同事也報道了這條3.5千電子伏特發射線的存在。

在Bulbul團隊提交他們的研究結果僅一周之後，由荷蘭萊頓大學的Alexey Boyarsky領導的另一個團組又給這個暗物質的故事增加了戲劇性的情節，他們報告了XMM-牛頓衛星觀測到來自 M31星系和英仙座星系團邊緣的3.5 keV發射線的證據， 確認了Bulbul等人的結論。

但是隨後，這兩個發現出現了爭議，因為其他天文學家在觀測其他天體的時候，有些觀測到了3.5 keV發射線，有些科學家則未觀測到。

2016年，為觀測X射線光譜中的發射線等詳細特徵而特別設計的「瞳」X射線望遠鏡，也未能在英仙座星團中觀測到3.5 keV發射線。關於這個發現的爭議似乎到此為止了。

來自牛津的合著者Francesca Day說：「也許有人會認為，當「瞳」沒有看到那個3.5千電子伏特發射線時，我們就會放棄這條線索。恰恰相反，就像任何有趣的故事一樣，一個有趣的轉折出現了。」

Conlon和同事們發現，「瞳」衛星的圖像清晰度遠不如錢德拉，「瞳」觀測英仙座星團得到的數據實際上由兩個不同來源的X射線信號混合而成：一部分是包裹著星系團中央大星系的熾熱氣體的彌散輻射，另一部分是來自中央大星系中心超大質量黑洞附近的X射線輻射。錢德拉望遠鏡成像要清晰得多，可以將兩個區域對X射線信號的貢獻區分開。Bulbul等人利用這一特點，在分析過程中扣除了點源（包括超大質量黑洞附近物質產生的X射線），從而分離出了熾熱氣體產生的X射線信號。

為了測試這種差異是否重要，劍橋大學的研究人員重新分析了2009年由錢德拉望遠鏡收集到的位於英仙座中心的黑洞的X射線數據。他們發現了令人吃驚的現象：在大質量黑洞附近區域3.5 keV的X射線出現了「虧空」，而不是「盈餘」。這表明英仙座星系團中的某種東西正在吸收這一能量的X射線。研究人員將這一吸收線加到錢德拉和XMM-牛頓觀測到的熱氣體的發射線上，來模擬「瞳」的光譜，疊加得到的X射線光譜在3.5 keV既沒有發射又沒有吸收，這和「瞳」的觀測結果一致。

現在的挑戰在於如何解釋這樣的現象：觀測黑洞時探測到X射線的吸收線；而觀察遠離黑洞的熾熱氣體時，則探測到同樣能量的X射線發射線。

事實上，這種現象為使用光學望遠鏡研究恆星和氣體雲的天文學家所熟知。 被氣體雲包圍的恆星發出的光常常呈現吸收線，這是由於氣體雲中的原子吸收了特定能量的恆星光。 這種吸收將原子從低能態踢向高能態。原子很快回落到低能態，並伴隨著特定能量的光輻射，但是這種光重新發射到各個方向，在觀測到的恆星光譜中的一條吸收線處產生凈光損失。相比之下，從遠離恆星的一個方向觀察一片氣體雲，只會探測到一種特定能量的重新發射的光（或者熒光），這種光以發射線的形式出現。

牛津大學的研究團隊在他們的報告中指出，暗物質粒子可能像原子一樣，有兩個被3.5 kev能量分離的能態。如果是這樣的話，當在接近黑洞方向的角度觀察時，可能發現一條在3.5 keV能量的吸收線（譯者註：被暗物質粒子吸收）；而在遠離黑洞的較大角度觀察星系團的熱氣體時，則有可能探測到相同能量的一條發射線（譯者註：由暗物質粒子發射）。

同樣來自牛津的合著者尼古拉斯?詹寧斯（Nicholas Jennings）說：「這不是一幅簡單易繪的圖像，但是我們可能已經找到了一種方法來解釋這個來自英仙座星團不尋常X射線信信號，並揭示了一條有關暗物質本質的線索。 」

描述上述解釋的示意圖

Credit: NASA/CXC/M. Weiss

為了寫這個故事的下一章，天文學家需要進一步觀測英仙座星系團和其他類似星系團。例如，天文學家需要更多數據，以證實星系團中心的黑洞附近確實存在X射線的吸收，並排除一個更為普通的可能性，就是我們同時遭遇了意料之外的儀器效應，以及X射線在3.5 keV統計學上不太可能出現的減少。錢德拉X射線天文台，XMM-牛頓衛星和未來的X射線任務將繼續觀察更多星系團，來揭開暗物質的神秘面紗。

描述以上成果的論文於2017年12月19日發表在《物理學評論（D輯）》（Physical Review D）上，可在線獲取預印本（https://arxiv.org/abs/1608.01684）。本文的其他合著者有來自牛津大學的Sven Krippendorf和Markus Rummel。NASA馬歇爾空間飛行中心負責管理位於華盛頓NASA科學任務局的錢德拉計劃。位於劍橋的史密松天體物理台控制錢德拉的科學任務和飛行運行。

來源：www.nasa.gov（詳見「閱讀原文」）

原文作者：Molly Porter，Megan Watzke

原文編輯： Lee Mohon

編輯：塵埃

翻譯：成韻文

校核：Darkwalker

審核：傅煜銘

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