如何解釋銀河系中心的一個(gè)怪現(xiàn)象？
銀河系中心。ESO / S. Brunier
我們生活在銀河系內(nèi)。而銀河系的中心有許多謎團(tuán)。其中之一是科學(xué)家不知道為什么銀心區(qū)域會(huì)產(chǎn)生異常明亮的超高能伽馬射線輻射。
最近兩位中國科學(xué)家將這一謎團(tuán)和另一個(gè)困擾了科學(xué)家半個(gè)多世紀(jì)的謎團(tuán)——暗物質(zhì)之謎聯(lián)系了起來。他們認(rèn)為，銀河系中心區(qū)域暗物質(zhì)密度很高，暗物質(zhì)粒子會(huì)在那里轉(zhuǎn)化成常規(guī)物質(zhì)粒子，繼而產(chǎn)生超量的伽馬射線。
根據(jù)科學(xué)家的估算，暗物質(zhì)占到了整個(gè)宇宙物質(zhì)總量的80%以上。科學(xué)家根據(jù)星系自轉(zhuǎn)速度推測，宇宙中存在著額外的引力源。這些引力源看不見，因此被叫做暗物質(zhì)。
科學(xué)家一直在致力于尋找暗物質(zhì)，并提出了許多理論。但是幾十年過去了，仍然一無所獲。而不斷涌現(xiàn)的觀測證據(jù)仍然在鞏固暗物質(zhì)理論的地位。許多科學(xué)家相信暗物質(zhì)是一種身份不明的粒子。它不和光相互作用，也不產(chǎn)生強(qiáng)核力。暗物質(zhì)粒子可能會(huì)與弱核力有關(guān)，但卻也難以被證明。
也許此刻有上萬億的暗物質(zhì)粒子正在默默地穿越我們的身體，但我們卻毫無察覺。不過暗物質(zhì)卻可以用引力證明自己的存在。在這個(gè)宇宙中，只要有質(zhì)量和能量，一切都會(huì)產(chǎn)生引力。因此一直以來，唯一可以研究暗物質(zhì)的方式，是研究它們和普通物質(zhì)之間的引力互動(dòng)——比如研究星系中恒星們的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。
但是1月28日發(fā)表在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上的一篇文章認(rèn)為，暗物質(zhì)有另外的行為方式。
伽馬射線是一種超高能電磁輻射，通常是由宇宙中的高能事件產(chǎn)生的。比如超新星爆發(fā)。但是近年來科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，我們的銀河系中心產(chǎn)生的伽馬射線量，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于這些災(zāi)難性事件產(chǎn)生的伽馬射線總和。
論文從此切入，認(rèn)為銀河系中心產(chǎn)生的超量伽馬射線與一種高能電子有關(guān)。
電子是輕子的一種。而這些高能電子產(chǎn)生伽馬射線的能力，要比災(zāi)難性天體事件強(qiáng)得多。這些電子本身是難以探測的，因?yàn)樗鼈兎浅Ｎ⑿?。但是?dāng)它們大批穿越星際空間時(shí)，會(huì)偶發(fā)性地和光子發(fā)生碰撞。碰撞會(huì)讓光子攜帶的能量猛增，使之躍入伽馬射線的頻段。
碰撞可以解釋銀河系中心為什么會(huì)產(chǎn)生那么多的伽馬射線。但是問題是，這些高能電子是從哪里來的？
中國粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家（署名為Sun Xu-Dong和Dai Ben-Zhong）在論文中闡述了假想中的暗物質(zhì)粒子在極端環(huán)境中因引力而發(fā)生碰撞，并形成普通物質(zhì)粒子在理論上的可能性。
根據(jù)他們提供的理論模型，暗物質(zhì)粒子可以轉(zhuǎn)化成輕子。它們會(huì)在引力的作用下發(fā)生碰撞，進(jìn)而湮滅。而湮滅的產(chǎn)物就是高能電子。
這樣的湮滅在銀河系中心這樣的地方會(huì)變得更容易發(fā)生，因?yàn)榭茖W(xué)家相信，銀河系中心通常是暗物質(zhì)密度最高的地方。湮滅產(chǎn)生的高能電子進(jìn)而在穿越星際空間時(shí)和光子碰撞，將其轉(zhuǎn)化為伽馬射線。所以我們才會(huì)發(fā)現(xiàn)，銀河系中心會(huì)產(chǎn)生超量的伽馬射線。
這只是個(gè)假說，但它為我們提供了一條新的思路：暗物質(zhì)是否真的會(huì)變成普通物質(zhì)呢？
從地球角度看到的銀河系。ESO / S. Brunier
參考
Dark matter annihilation into leptons through gravity portals
https://arxiv.org/abs/2008.02994
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