银河系的中心有暗物质吗？

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麻省理工学院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。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发现的，在很大程度上物理学家了解它们的来源。但银河系中心有伽马射线的辉光，称为银河系中心过剩（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，另一种是由暗物质组成的浓缩云，与自身碰撞产生大量伽马射线。

2015年，麻省理工学院和普林斯顿大学的一个团队支持了脉冲星的结果，这个团队包括物理学副教授特蕾西·斯莱蒂尔和博士后本杰明·萨夫迪和魏雪。研究人员分析了费米伽马射线空间望远镜对银河系中心的观测结果，使用他们开发的“背景模型”来描述银河系中所有能产生伽马射线的粒子相互作用。他们的结论相当明确，GCE很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·莱恩领导的一项新研究中，斯莱蒂尔重新评估了这一说法。在试图更好地理解2015年的分析方法时，斯莱蒂尔发现，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，研究人员在实际费米观测的基础上运行了这个模型，但这次他们添加了一个假的暗物质额外信号。他们发现，这个模型未能接收到这个假信号，即使他们把信号调高，这个模型仍然假设脉冲星是过剩的核心。

发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的研究结果，突显了2015年分析中的“错误建模效应”，并重新开启了许多人认为已经结束的案例。

虽然银河系在空间上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，斯莱蒂尔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，如果脉冲星是伽马射线过剩的来源，而这些脉冲星相对较亮，那么它们发出的伽马射线应该位于球形区域，当成像时，看起来像颗粒状的，在脉冲星所在的亮点之间有黑色的间隙。

然而，如果暗物质是伽马射线过剩的来源，那么球形区域应该看起来很平滑。朝向银河系中心的每一条视线可能都有暗物质粒子，所以不应该在信号中看到任何间隙或冷点。

她和她的团队使用了一个背景模型来描述银河系中所有的物质和气体，以及所有可能产生伽马射线粒子的相互作用。他们考虑了GCE球形区域的模型，一方面是粒状的，另一方面是光滑的，并设计了一种统计方法来区分它们之间的差异。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，观察这些观测数据更符合光滑的还是颗粒状的。

在2017年来到麻省理工学院后，莱恩开始对分析伽马射线数据感兴趣。斯莱蒂尔建议，他们尝试测试2015年使用的统计方法的稳健性，以加深对结果的理解。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？如果这种方法经得起成功，他们可能对2015年的原始结果充满信心。然而，如果他们发现了这种方法崩溃的情况，那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剩的中心。

研究小组接受了这个挑战，用费米望远镜的数据和一个暗物质的假信号为模型提供数据。尽管是经过深思熟虑的假设，他们的统计分析再次错过了暗物质信号，并返回了颗粒状的脉冲星图像。即使当他们把暗物质信号放大到实际伽马射线过剩量的四倍时，他们的方法还是看不到暗物质。

她和斯莱蒂尔正在努力更好地理解他们的方法中的偏见，并希望在未来消除这种偏见。“如果真的是暗物质，这将是暗物质通过引力以外的力与可见物质相互作用的第一个证据。”莱恩说，“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性质。无论过剩是什么，我们都将对宇宙有新的认识。”

原文地址：今日头条