11月25日,一项可能改写物理学的研究,登上国际顶级期刊《宇宙学与天体粒子物理杂志》(JCAP):

日本东京大学天文学家户谷友则(Tomonori Totani)宣布,他利用NASA费米伽马射线空间望远镜(LTA)历时15年积累的数据,在银河系中心探测到一片能量高达200亿电子伏特(20 GeV)的伽马射线“光晕”。

打开今日头条查看图片详情

研究者认为,“光晕”的分布形态,与理论预言的暗物质晕高度吻合。这极可能是暗物质粒子相互湮灭的直接证据——如果属实,这将是人类首次“看见”暗物质。

这一发现迅速引爆全球科学界与公众舆论。但与此同时,质疑声亦四起。究竟是百年谜题的终结,还是又一场“狼来了”的误报?答案远未尘埃落定。

【暗物质:宇宙的“隐形骨架”】

暗物质是现代宇宙学的基石概念。1933年瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)在观测星系团时,注意到了一个反常现象:星系团中可见物质的质量,似乎远不足以产生足够的引力,来拉住那些高速运动的星系。

如果按照万有引力定律,这些星系本该飞散开来,但它们却始终正常地高速运转。于是他猜测:一定存在一种看不见的物质,提供了额外的引力,将它们牢牢维系在一起。

打开今日头条查看图片详情

随后几十年,这个推论不断证实。大量观测证据——如星系旋转曲线异常、引力透镜效应、宇宙微波背景辐射(CMB)——一致表明:宇宙中85%的物质是“看不见”的。

它们不发光、不反射光、不与电磁波作用,却通过引力维系着星系结构,堪称宇宙的“隐形骨架”。

主流理论认为,暗物质由一种尚未被发现的“弱相互作用大质量粒子”(WIMP)构成。这类粒子几乎不与其他物质粒子发生各种相互作用,因此无法直接探测。

然而,它具有质量,并在宇宙中占据主导地位。所以由它对星系的引力效应,可推断出存在。而如果两个WIMP迎头相撞,便会湮灭,转化为高能粒子——

其中最易被探测的,就是伽马射线,能量范围远超人类肉眼可见的可见光(约2-3电子伏特,2-3eV)。

打开今日头条查看图片详情

因此,寻找暗物质,本质上是一场在宇宙中最“热闹”的区域(如银河系中心),搜寻异常伽马射线信号的高能侦探游戏。科学家要寻找的,正是源自黑暗撞击的火花。

【突破性“看见”:信号来自银河系中心】

户谷团队的方法很直接:把费米望远镜对准银河系中心附近——理论预测中暗物质最密集的区域,排除已知天体(如脉冲星、黑洞喷流)产生的伽马射线“背景噪音”,寻找无法用现有天体解释的残留信号。

他们发现:在扣除背景噪音后,仍存在一片球对称、弥散状的伽马射线辐射,集中在20 GeV,能量是可见光的100亿倍,也相当于质子静止质量的21倍,延伸范围达几千光年。

更关键的是,其空间分布与基于冷暗物质模型模拟出的“暗物质晕”惊人一致;能谱形态也完美匹配弱相互作用大质量粒子(WIMP)湮灭的理论曲线。

打开今日头条查看图片详情

据此推算,这种大质量粒子的质量约为质子的500倍,湮灭率也符合理论预期。这证明它是一种远远超出粒子物理标准模型的新粒子。

在已经确认的粒子物理标准模型框架内,顶夸克是静止质量最大的基本粒子,质量是质子的180倍,希格斯玻色子则是133倍,寿命均极短(约5×10⁻²⁵秒、2.1 × 10⁻²² 秒)。如果正确,这将是人类首次“看到”暗物质的遗迹。

宇宙与物理学认知最重大突破,人类首次“看见”暗物质?

【意义重大?打开新物理的“圣杯之门”】

如果发现获得证实,在物理学上将具备里程碑级别的意义。不仅终结了百年悬案,更超越了20世纪物理学的“圣杯”——标准模型。

自1933年提出暗物质假说以来,人类从未直接捕捉到其粒子信号。此次伽马射线“成像”,相当于首次为暗物质绘制了“肖像”。

打开今日头条查看图片详情

更关键的是,标准模型无法解释暗物质,发现弱相互作用大质量粒子(WIMP)将开启“新物理”时代,或催生统一引力与量子力学的终极理论。

冷暗物质模型是当前宇宙演化的主流框架。直接探测到其粒子,还将为星系、星系团乃至宇宙大尺度结构的形成提供坚实支撑,进一步完善宇宙结构形成机制。

正如科学家所言:“已知世界仅占宇宙的4%,敬畏未知才是科学的起点。”

【但科学从不轻信:三大质疑直指核心】

然而,对一场宇宙级“捉迷藏”的重大突破,科学界保持高度审慎、谨慎质疑。多位专家指出,这个信号极可能源于未被充分扣除的天体物理背景:

西班牙马德里康普顿斯大学伽马射线专家Juan Abel Barrio尖锐指出:“费米-LAT合作组过去15年对同一区域做了精细分析,从未发现显著暗物质信号。”

他怀疑,户谷团队低估了几千颗未被分辨的毫秒脉冲星的集体贡献——这些高速旋转的中子星,也能产生20 GeV伽马射线,并且分布弥散,极易被误认为“暗物质晕”。

打开今日头条查看图片详情

Barrio进一步指出,该信号强度已超出费米合作组此前设定的“排除上限”,如果真实存在,早应在数据中显现。这暗示户谷团队的分析,可能存在系统性偏差。

另有学者认为,银河系中心超大质量黑洞(人马座A)产生的宇宙射线,与星际介质作用后,也可能产生类似能谱的伽马射线。

户谷团队虽声称“无其他天体可解释”,但天体物理的复杂性常超预期。“我们甚至不知道,宇宙中到底有多少能产生伽马射线的东西。”

约克大学物理学家Sean Tulin还提出:“这个推论高度依赖背景模型——模型稍有偏差,虚假信号便会出现。”

【下一步:交叉验证是唯一出路】

科学不靠宣称,而靠验证。户谷团队的发现要成为“结论”,必须通过一系列考验:首先是费米(LAT)合作组的正式确认,作为数据所有者,其权威分析至关重要。

更重要的是利用新一代的地面伽马射线天文台——正由30个国家合作建设的全球切伦科夫望远镜阵列(CTA),在更高能段(20G-300 Tev)验证信号。

打开今日头条查看图片详情

CTA的灵敏度、分辨率均比费米(LAT)高一个数量级,能量探测上限是费米的1000倍。CTA就像一台超高清的“显微镜”,可以对费米发现的重点目标进行深度、精细的观测。

还有地下直接探测呼应,中国锦屏、意大利格兰萨索等深地实验室,如果能同步捕捉到相同质量WIMP的核反冲信号,将形成“天地印证”。

过去20年,已有几十次宣称“暗物质信号”,最终均被证伪。这一次,我们既抱希望,更持谨慎。”

【结语:在已知与未知的边界上】

人类每秒有上亿个暗物质粒子穿过身体,却对其一无所知。户谷团队的发现,如同在无边黑夜中瞥见一缕微光——它可能是指引方向的灯塔,也可能是海市蜃楼。

但正因如此,科学才显其伟大:不轻信奇迹,不畏惧未知;只以证据为舟,以逻辑为帆,驶向宇宙最深的真相。

这一次,我们或许离“看见”暗物质,真的近了一步。但最终答案,仍需时间与更多的“眼睛”来确认。