在银河系的中心有暗物质吗?

麻省理工学院(MIT)的物理学家们正在重新点燃一种可能性，即在我们星系中心爆发的明亮的伽马射线可能终究是暗物质的结果。

多年来，物理学家们已经知道银河系中心存在着一种神秘的能量过剩，它以伽马射线的形式存在——伽马射线是电磁波谱中能量最大的波。这些射线通常由宇宙中最热、最极端的物体产生，比如超新星和脉冲星。

伽马射线是在银河系的圆盘上被发现的，物理学家们大都知道它们的来源。但是在银河系的中心有一道伽马射线的辉光，被称为星系中心过剩，或者GCE，鉴于物理学家们对星系中恒星和气体分布的了解，这些性质很难解释。

产生这种过剩的有两种主要的可能性:一种是被称为脉冲星的高能、快速旋转的中子星，或者更吸引人的是，一团聚集的暗物质云，与自身发生碰撞，产生过剩的伽马射线。

2015年，麻省理工学院和普林斯顿大学的一个团队，包括物理学副教授特蕾西·斯拉特尔(Tracy Slatyer)和博士后本杰明·萨夫迪(Benjamin Safdi)和薛伟(Wei Xue)，支持脉冲星。研究人员分析了费米伽马射线太空望远镜观测到的银河系中心，使用了他们开发的“背景模型”来描述星系中所有可能产生伽马射线的粒子相互作用。他们相当肯定地得出结论，GCE极有可能是脉冲星的结果，而不是暗物质。

然而，在麻省理工学院博士后丽贝卡·利恩(Rebecca Leane)领导的新研究中，斯莱特耶重新评估了这一说法。为了更好地理解2015年的分析方法，Slatyer和Leane发现，他们使用的模型实际上可能被“欺骗”而产生错误的结果。具体来说，研究人员在实际的费米观测中运行了这个模型，就像麻省理工大学和普林斯顿大学的团队在2015年所做的那样，但这一次他们添加了一个额外的暗物质信号。他们发现这个模型没能捕捉到这个假信号，即使他们把信号调高，这个模型仍然假设脉冲星是过量信号的中心。

今天发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的研究结果，强调了2015年的分析存在“错误建模效应”，并重新开启了许多人认为已经结束的研究。

“令人兴奋的是，我们认为我们已经排除了这是暗物质的可能性，”Slatyer说。“但是现在我们的说法有一个漏洞，一个系统性的错误。它为来自暗物质的信号重新打开了大门。”

银河系中心:颗粒状还是光滑状?

虽然银河系在空间上或多或少有点像一个扁平的圆盘，但其中心多余的伽玛射线占据了一个更为球状的区域，从银河系中心向四面八方延伸了约5000光年。

在2015年的研究中，Slatyer和她的同事开发了一种方法来确定这个球形区域的轮廓是平滑的还是“粒状的”。他们推断，如果脉冲星是过量伽马射线的来源，而且这些脉冲星相对明亮，那么它们发出的伽马射线应该存在于一个球形区域，在成像时，这个区域看上去是粒状的，在脉冲星所在的亮点之间有黑色的缝隙。

然而，如果暗物质是伽马射线过量的来源，那么球状区域看起来应该是平滑的:“每一条指向银河系中心的视线都可能有暗物质粒子，所以我不应该在信号中看到任何缝隙或冷点，”斯拉特耶解释道。

她和她的团队使用了星系中所有物质和气体的背景模型，以及所有可能产生伽马射线的粒子相互作用。他们考虑了GCE球形区域的模型，一方面是颗粒状的，另一方面是光滑的，并设计了一种统计方法来区分它们。然后，他们将费米望远镜拍摄到的球形区域的实际观测数据输入模型，观察这些观测数据是否更符合光滑或颗粒状的轮廓。

“我们发现它是百分之百颗粒状的，所以我们说，‘哦，暗物质做不到这一点，所以它一定是别的什么东西，’”斯莱特耶回忆说。“我希望这只是首次使用类似技术对银河系中心区域进行研究。但到了2018年，这种方法的主要交叉检查仍然是我们在2015年做过的，这让我很紧张，我们可能错过了一些东西。”

种植一个假

2017年来到麻省理工学院后，利恩开始对分析伽马射线数据感兴趣。Slatyer建议他们尝试测试2015年使用的统计方法的稳健性，以便对结果有更深的理解。两位研究人员提出了一个难题:在什么情况下他们的方法会失效?如果这种方法经受住了审讯，他们可以对2015年的原始结果有信心。然而，如果他们发现了该方法崩溃的情况，这就意味着他们的方法出了问题，也许暗物质仍然处于伽马射线过量的中心。

Leane和Slatyer重复了麻省理工大学和普林斯顿大学团队在2015年的方法，但是他们没有采用费米模型的数据，而是绘制了一张假的天空地图，其中包括暗物质的信号，以及与伽马射线过量无关的脉冲星。他们将这张地图输入到模型中，发现尽管球状区域内存在暗物质信号，但模型得出结论，该区域很可能是粒状的，因此由脉冲星主导。这是第一个线索，Slatyer说，他们的方法“并非万无一失”。

在一次会议上，Leane提出了一个来自同事的问题:如果她在真实的观测中加入一个暗物质的假信号，而不是一个假的背景地图，结果会怎样?

该团队接受了挑战，用来自费米望远镜的数据，以及暗物质的假信号，为模型提供数据。尽管有刻意的植物，他们的统计分析再次错过了暗物质信号，并返回了一个粒状的、脉冲状的图像。即使他们把暗物质信号放大到实际伽马射线过量的四倍，他们的方法也没能发现它。

“在那个阶段，我非常兴奋，因为我知道它的意义非常重大——这意味着暗物质的解释又回到了我们的讨论桌上，”利恩说。

她和斯拉特尔正在努力更好地理解他们的方法中的偏见，并希望在未来排除这种偏见。

“如果真的是暗物质，这将是暗物质通过引力以外的外力与可见物质相互作用的第一个证据，”Leane说。“暗物质的性质是目前物理学中最大的悬而未决的问题之一。将这一信号识别为暗物质可能会让我们最终揭开暗物质的基本身份。无论过剩是什么，我们都将对宇宙有新的认识。”

这项研究的部分资金由美国能源部高能物理办公室提供。