新形式的暗物質(zhì)或可解釋銀河系的核心之謎

長期以來，天文學(xué)家一直對銀河系中心的兩種奇怪現(xiàn)象感到困惑。首先，中心分子區(qū) （CMZ） 中的氣體，這是銀河系核心附近一個(gè)密集而混亂的區(qū)域，似乎被電離了（意味著它帶電，因?yàn)樗チ穗娮樱┮泽@人的高速率。

其次，望遠(yuǎn)鏡探測到一種神秘的伽馬射線光芒，其能量為511 千伏特（千）（對應(yīng)于靜止電子的能量）。

有趣的是，當(dāng)電子及其反物質(zhì)對應(yīng)物（所有基本帶電粒子都有幾乎相同但電荷相反的反物質(zhì)版本），正電子在一閃而過的光芒中碰撞并湮滅。

盡管進(jìn)行了數(shù)十年的觀察，但這兩種影響的原因仍不清楚。

但在一項(xiàng)發(fā)表在物理評論信，我們表明兩者都可能與宇宙中最難以捉摸的成分之一有關(guān)：暗物質(zhì).特別是，我們提出一種新形式的暗物質(zhì)，其質(zhì)量小于天文學(xué)家通常尋找的類型，可能是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

隱藏進(jìn)程

The CMZ跨越近 700 光年并包含銀河系中一些最致密的分子氣體。多年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域異常電離，這意味著那里的氫分子以比預(yù)期快得多的速度分裂成帶電粒子（電子和原子核）。

這可能是宇宙射線和星光等來源轟擊氣體的結(jié)果。然而，僅憑這些似乎并不能解釋觀察到的水平。

另一個(gè)謎團(tuán)，511keV 排放，首次被觀察到在 1970 年代，但仍然沒有明確的來源。幾個(gè)候選人已被提議，包括超新星、大質(zhì)量恒星、黑洞和中子星。然而，沒有一個(gè)能完全解釋噴發(fā)的模式或強(qiáng)度。

我們提出了一個(gè)簡單的問題：這兩種現(xiàn)象都是由同一個(gè)隱藏過程引起的嗎？

暗物質(zhì)約占 85%宇宙中的物質(zhì)，但它不發(fā)射或吸收光。雖然它的引力效應(yīng)很清楚，但科學(xué)家們還不知道它是由什么組成的。

一種經(jīng)常被忽視的可能性是，暗物質(zhì)粒子可能非常輕，質(zhì)量只有幾百萬電子伏特，比質(zhì)子輕得多，并且仍然發(fā)揮著宇宙的作用。這些輕暗物質(zhì)候選者通常稱為 sub-GeV（千兆電子伏特）暗物質(zhì)粒子。

這種暗物質(zhì)粒子可能會(huì)與它們的反粒子相互作用。在我們的工作中，我們研究了如果這些輕暗物質(zhì)粒子與銀河系中心自己的反粒子接觸并相互湮滅，產(chǎn)生電子和正電子會(huì)發(fā)生什么。

在 CMZ 的稠密氣體中，這些低能粒子會(huì)迅速失去能量，并通過敲掉電子非常有效地電離周圍的氫分子。由于該區(qū)域非常密集，因此粒子不會(huì)傳播很遠(yuǎn)。相反，它們會(huì)將大部分能量沉積在本地，這與觀察到的電離曲線非常吻合。

通過詳細(xì)的模擬，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)簡單的過程，即暗物質(zhì)粒子湮滅成電子和正電子，可以自然地解釋在 CMZ 中觀察到的電離率。

更好的是，暗物質(zhì)所需的特性，例如其質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度，與早期宇宙的任何已知約束并不沖突。這種暗物質(zhì)似乎是一個(gè)嚴(yán)肅的選擇。

正電子之謎

如果暗物質(zhì)在 CMZ 中產(chǎn)生正電子，這些粒子最終會(huì)減慢速度并最終與環(huán)境中的電子一起湮滅，產(chǎn)生能量正好為 511keV 的伽馬射線。這將提供電離和神秘輝光之間的直接聯(lián)系。

我們發(fā)現(xiàn)，雖然暗物質(zhì)可以解釋電離，但它也可能能夠復(fù)制一定量的 511keV 輻射。這一驚人的發(fā)現(xiàn)表明，這兩個(gè)信號(hào)可能來自同一個(gè)來源，即輕暗物質(zhì)。

511keV 線的確切亮度取決于幾個(gè)因素，包括正電子與電子形成束縛態(tài)的效率以及它們的確切湮滅位置。這些細(xì)節(jié)仍然不確定。

測試無形事物的新方法

無論 511keV 發(fā)射和 CMZ 電離是否共享一個(gè)共同的來源，CMZ 中的電離率正在成為研究暗物質(zhì)的有價(jià)值的新觀測結(jié)果。特別是，它提供了一種測試涉及淺暗物質(zhì)粒子的模型的方法，而這些模型很難使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來檢測。

在我們的研究，我們表明暗物質(zhì)的預(yù)測電離曲線在整個(gè) CMZ 上非常平坦。這很重要，因?yàn)橛^察到的電離確實(shí)分布得相對均勻。

點(diǎn)源（如黑洞位于銀河系中心或宇宙射線源，如超新星（爆炸的恒星）無法輕易解釋這一點(diǎn)。但是平滑分布的暗物質(zhì)暈可以。

我們的研究結(jié)果表明，銀河系的中心可能為暗物質(zhì)的基本性質(zhì)提供新的線索。

未來具有更好分辨率的望遠(yuǎn)鏡將能夠提供有關(guān) 511 keV 線與 CMZ 電離速率之間的空間分布和關(guān)系的更多信息。同時(shí)，對 CMZ 的持續(xù)觀測可能有助于排除或加強(qiáng)暗物質(zhì)的解釋。

無論哪種方式，這些來自銀河系中心的奇怪信號(hào)都在提醒我們，宇宙仍然充滿了驚喜。有時(shí)，向內(nèi)看，我們自己銀河系充滿活力、發(fā)光的中心，會(huì)揭示出最意想不到的暗示，即更遠(yuǎn)處的東西。

夏姆·巴拉吉， 物理學(xué)博士后研究員，倫敦國王學(xué)院

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