暗物质数据挖掘

特蕾西·斯拉特尔(Tracy Slatyer)在她的教育生涯早期面临信心危机时，斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的《时间简史》(a Brief History of Time)和麻省理工学院(MIT)某个虚构的看门人帮助她坚定了决心。

斯莱特耶一家从澳大利亚堪培拉搬到岛国斐济时才11岁。这是一次为期三年的访问，是她父亲为政府间组织南太平洋论坛(South Pacific Forum)工作的一部分。

“斐济在性别平等方面远远落后于美国和澳大利亚，对一个女孩来说，对数学和科学感兴趣带有明显的社会耻辱，”斯拉泰尔回忆说。“我经常被欺负。”

她最终向学校辅导员寻求指导，辅导员将欺凌事件的责任归咎于受害者自己，说斯拉泰尔不够“女性化”。斯拉特尔反驳说，她对数学感兴趣，而且擅长数学，这似乎是她受到欺凌的原因。她回忆起辅导员无情的建议:“嗯，是的，亲爱的，这是一个你可以解决的问题。”

“我回家后想了想，觉得数学和科学对我来说很重要，”斯拉泰尔说。“我要继续努力学习，如果我被欺负了，那就随它去吧。”

她加倍努力学习，花了很多时间在图书馆;她还得益于支持她的父母，他们给了她霍金关于宇宙起源和时空本质的开创性著作。

斯拉特耶说:“这些想法最自然的表述方式似乎就是数学。”“我知道我数学很好。了解到这种天赋有可能让我应用于理解宇宙是如何运作的，以及宇宙是如何开始的，这让我非常兴奋。”

大约在同一时间，电影《心灵捕手》上映。故事讲的是麻省理工学院一位城管被发现是一位天才数学家，这个故事对斯莱特耶产生了激励作用。

“13岁我拿出的这是,麻省理工学院是一个地方,如果你是数学天才,人们会认为这是一件好事而不是指责,甚至让你欢迎——如果你是一个看门人或一个小女孩从斐济、“石板一样的说。“这是我第一次真正意识到这样的地方可能存在。从那时起，麻省理工学院对我来说就是一个重要的象征，它体现了我对知识探索的重视，并愿意接纳世界上任何一个人。”

今年，Slatyer获得了麻省理工学院的终身教授职位，现在是Jerrold R. Zacharias的物理学副教授，也是理论物理中心和核科学实验室的成员。她专注于通过望远镜数据寻找神秘现象的信号，比如暗物质。暗物质是一种不可见的物质，占宇宙物质的80%以上，但只有通过其引力才能探测到。在她的教学中，她试图吸引和支持一批新的、多样化的初级科学家。

“如果你想了解宇宙是如何运作的，你需要最优秀、最聪明的人，”斯拉泰尔说。“重要的是理论物理学变得更加包容和受欢迎，无论是从道德的角度，还是为了完成最好的科学研究。”

连接

斯莱特耶一家最终搬回了堪培拉，她在那里热切地投身于城市的教育机会。

在澳大利亚国立大学获得本科学位，然后在墨尔本大学短暂停留后，斯莱特耶被哈佛大学录取为物理学研究生。她的兴趣慢慢地被粒子物理学所吸引，但她不确定该往哪个方向走。然后，她的两位导师让她与一位资历较浅的教员道格·芬克贝纳(Doug Finkbeiner)取得了联系。

当时，很多物理学家都热切地期待着大型强子对撞机的启动，以及高能粒子相互作用数据的发布，这可能会揭示出标准模型之外的物理学。

相比之下，望远镜早就公开了它们自己关于天体物理现象的数据。如果我们不通过这些数据来寻找黑洞和中子星等经过数百万年演化的物体，而是通过梳理这些数据来寻找更基本的神秘信号，比如新基本粒子甚至暗物质的迹象，那会怎么样?

前景是新的，令人兴奋的，斯莱特耶立即接受了挑战。

“追逐这种感觉”

2008年，费米伽马射线太空望远镜发射升空，让天文学家在电磁波谱的伽马射线波段对宇宙有了新的认识，在那里可以看到高能天体物理现象。Slatyer和Finkbeiner提出费米的数据也可能揭示暗物质的信号，理论上暗物质粒子碰撞时会产生高能电子。

2009年，费米向公众公开了它的数据，Slatyer和Finkbeiner——以及哈佛博士后Greg Dobler和纽约大学的合作者——把他们的挖掘工具在数据发布到网上后立即投入使用。

该小组最终绘制了一幅银河系的地图，在伽马射线的照射下，呈现出一个模糊的蛋形。经过进一步的分析，在斯拉特尔的博士生同事孟Su的带领下，这个模糊的“雾”合并成一个数字8，或双气泡结构，在银河系盘的上下延伸约25000光年。这样的结构以前从未被观察过。该小组将这个神秘的结构命名为“费米气泡”，以最初观测它的望远镜命名。

斯拉泰尔说:“这真的很特别——我们是世界历史上第一批能够以这种方式观察天空的人，并且能够理解这种结构的存在。”“这真是一种不可思议的感觉，追逐这种感觉是一种激励和激励我的东西，我想很多科学家都是这样。”

寻找看不见的东西

今天，斯拉泰尔继续筛选费米数据，寻找暗物质存在的证据。费米气泡独特的形状使得它们不太可能与暗物质有关;它们更有可能揭示过去银河系中心巨大黑洞的喷发，或者是恒星爆炸引发的外流。然而，其它信号则更有希望。

在被认为是暗物质聚集的银河系中心周围，有一道伽马射线的辉光。2013年，Slatyer，她的第一个博士生Nicholas Rodd，以及哈佛大学和费米实验室的合作者发现，如果暗物质粒子碰撞并产生可见光，这种发光的性质与理论学家的预期相似。然而，2015年，斯拉特尔和麻省理工学院(MIT)和普林斯顿大学(Princeton University)的合作者对这一解释提出了质疑，他们进行了一项新的分析，结果显示，这种辉光更符合一种新的自旋中子星——脉冲星——的起源。

但此案尚未完全结案。最近，Slatyer和麻省理工学院博士后Rebecca Leane重新分析了同样的数据，这次他们在数据中注入了一个假的暗物质信号，看看2015年开发的技术能否探测到暗物质是否存在。但是信号被错过了，这表明如果费米数据中有其他暗物质的实际信号，它们也可能被错过。

Slatyer现在正在改进数据挖掘技术，以便更好地检测费米数据中的暗物质，以及其他天体物理公开数据。但如果她的搜索结果是空的，她也不会气馁。

“不能保证存在暗物质信号，”斯拉特尔说。“但是如果你不去看，你永远也不会知道。在这些数据集中寻找暗物质信号的过程中，你还会了解到其他一些东西，比如我们的星系中含有巨大的伽马射线气泡，也许还有一个从未有人知道的脉冲星新种群。如果你仔细观察这些数据，宇宙通常会告诉你一些新的东西。”