宇宙85%的物質(zhì)是由暗物質(zhì)組成，但卻依然不知道暗物質(zhì)到底是什么。密歇根大學(xué)、勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)和加州大學(xué)伯克利分校的一項(xiàng)新研究，排除了之前從星系觀測到神秘電磁信號的暗物質(zhì)可能原因。

在這項(xiàng)研究之前，人們曾寄予厚望，認(rèn)為這些信號將給物理學(xué)家提供幫助識別暗物質(zhì)的確鑿證據(jù)。暗物質(zhì)不能被直接觀測到，因?yàn)樗晃?、反射或發(fā)射光線。

但科學(xué)家知道暗物質(zhì)的存在，是因?yàn)樗鼘ζ渌镔|(zhì)有影響。例如，需要暗物質(zhì)來解釋將星系聚集在一起的引力。物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是中微子的近親，也就是所謂的“惰性”中微子。中微子是不帶電荷的亞原子粒子，很少與物質(zhì)相互作用，在太陽內(nèi)部發(fā)生核反應(yīng)時釋放。它們有很小的質(zhì)量，但是這個質(zhì)量不能用粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。物理學(xué)家認(rèn)為，惰性中微子，一種假設(shè)的粒子，可以解釋這個質(zhì)量，也可能是暗物質(zhì)。

密歇根大學(xué)物理學(xué)助理教授、合著者本·薩夫迪(Ben Safdi)表示：研究人員應(yīng)該能夠探測到惰性中微子，因?yàn)樗遣环€(wěn)定的。惰性中微子衰變成普通的中微子和電磁輻射。然后，為了探測暗物質(zhì)，物理學(xué)家掃描星系，以X射線發(fā)射的形式尋找這種電磁輻射。例如，2014年一項(xiàng)開創(chuàng)性研究發(fā)現(xiàn)了附近星系和星系團(tuán)的過量X射線發(fā)射，這種發(fā)射似乎與衰變的惰性中微子暗物質(zhì)發(fā)射一致。

未發(fā)現(xiàn)惰性中微子是暗物質(zhì)的證據(jù)

現(xiàn)在，對XMM-牛頓空間X射線望遠(yuǎn)鏡20年來拍攝星系的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析后，沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)表明惰性中微子是組成暗物質(zhì)的物質(zhì)。研究小組包括密歇根州立大學(xué)博士生克里斯托弗·甜點(diǎn)和伯克利實(shí)驗(yàn)室理論小組和伯克利理論物理中心的物理學(xué)家尼古拉斯·羅德，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。研究人員表示：2014年的研究和后續(xù)研究證實(shí)，這個信號引起了天體物理學(xué)和粒子物理界的極大興趣。

因?yàn)樗锌赡苁状卧谖⒂^層面上準(zhǔn)確地知道暗物質(zhì)是什么。新發(fā)現(xiàn)并不意味著暗物質(zhì)不是惰性中微子，但它意味著與2014年的說法相反，到目前為止還沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它的存在。天基X射線望遠(yuǎn)鏡，如XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡，指向暗物質(zhì)豐富的環(huán)境，以X射線信號的形式搜索這種微弱電磁輻射。2014年的發(fā)現(xiàn)將X射線發(fā)射命名為“3.5kev線”（kev代表千電子伏特）因?yàn)樾盘柍霈F(xiàn)在X射線探測器上的位置。

研究利用XMM-牛頓空間X射線望遠(yuǎn)鏡獲取的20年檔案數(shù)據(jù)，在銀河系尋找這條線。物理學(xué)家知道暗物質(zhì)聚集在星系周圍，所以當(dāng)之前的分析著眼于附近星系和星系團(tuán)時，這些圖像中的每一張都會捕捉到銀河系暗物質(zhì)光暈，研究小組使用這些圖像來觀察銀河系中“最暗”的部分，這大大提高了之前尋找惰性微子暗物質(zhì)的分析靈敏度。無論往哪里看，都應(yīng)該有一些來自銀河系光暈的暗物質(zhì)流動，因?yàn)樘栂滴挥阢y河系中，在這項(xiàng)研究中，利用了我們生活在暗物質(zhì)暈中的事實(shí)。

該研究的合著者、密歇根大學(xué)物理研究員、博士生克里斯托弗·德塞特表示：在3.5keV線被觀測到的星系團(tuán)也有很大背景信號，這在觀察中充當(dāng)噪音，可能會使人們很難準(zhǔn)確定位可能與暗物質(zhì)相關(guān)的特定信號。之所以要透過銀河系暗物質(zhì)暈來觀察，是因?yàn)楸尘耙偷枚?。例如，XMM-牛頓衛(wèi)星拍攝了孤立物體的圖像，比如銀河系中的單個恒星。研究人員拍攝了這些圖像，并遮蔽了原始感興趣的物體，留下了原始而黑暗的環(huán)境，在其中尋找暗物質(zhì)衰變的光暈。

結(jié)合20年這樣的觀察，使得對惰性中微子暗物質(zhì)的探測達(dá)到了前所未有的水平。如果惰性微子是暗物質(zhì)，如果它們的衰變導(dǎo)致3.5keV譜線發(fā)射，研究分析中觀察到這條線，但卻沒有發(fā)現(xiàn)惰性中微子暗物質(zhì)的證據(jù)。不幸的是，雖然這項(xiàng)研究確實(shí)給看起來可能是暗物質(zhì)微觀性質(zhì)的第一個證據(jù)潑了一盆冷水，但它確實(shí)開辟了一種全新的方法來尋找暗物質(zhì)，這可能會在不久的將來促使一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。

博科園｜研究/來自：密歇根大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

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