新形式的暗物質或可解釋銀河系的核心之謎

長期以來，天文學家一直對銀河系中心的兩種奇怪現象感到困惑。首先，中心分子區 （CMZ） 中的氣體，這是銀河系核心附近一個密集而混亂的區域，似乎被電離了（意味著它帶電，因為它失去了電子）以驚人的高速率。

其次，望遠鏡探測到一種神秘的伽馬射線光芒，其能量為511 千伏特（千）（對應于靜止電子的能量）。

有趣的是，當電子及其反物質對應物（所有基本帶電粒子都有幾乎相同但電荷相反的反物質版本），正電子在一閃而過的光芒中碰撞并湮滅。

盡管進行了數十年的觀察，但這兩種影響的原因仍不清楚。

但在一項發表在物理評論信，我們表明兩者都可能與宇宙中最難以捉摸的成分之一有關：暗物質.特別是，我們提出一種新形式的暗物質，其質量小于天文學家通常尋找的類型，可能是罪魁禍首。

隱藏進程

The CMZ跨越近 700 光年并包含銀河系中一些最致密的分子氣體。多年來，科學家們發現這個區域異常電離，這意味著那里的氫分子以比預期快得多的速度分裂成帶電粒子（電子和原子核）。

這可能是宇宙射線和星光等來源轟擊氣體的結果。然而，僅憑這些似乎并不能解釋觀察到的水平。

另一個謎團，511keV 排放，首次被觀察到在 1970 年代，但仍然沒有明確的來源。幾個候選人已被提議，包括超新星、大質量恒星、黑洞和中子星。然而，沒有一個能完全解釋噴發的模式或強度。

我們提出了一個簡單的問題：這兩種現象都是由同一個隱藏過程引起的嗎？

暗物質約占 85%宇宙中的物質，但它不發射或吸收光。雖然它的引力效應很清楚，但科學家們還不知道它是由什么組成的。

一種經常被忽視的可能性是，暗物質粒子可能非常輕，質量只有幾百萬電子伏特，比質子輕得多，并且仍然發揮著宇宙的作用。這些輕暗物質候選者通常稱為 sub-GeV（千兆電子伏特）暗物質粒子。

這種暗物質粒子可能會與它們的反粒子相互作用。在我們的工作中，我們研究了如果這些輕暗物質粒子與銀河系中心自己的反粒子接觸并相互湮滅，產生電子和正電子會發生什么。

在 CMZ 的稠密氣體中，這些低能粒子會迅速失去能量，并通過敲掉電子非常有效地電離周圍的氫分子。由于該區域非常密集，因此粒子不會傳播很遠。相反，它們會將大部分能量沉積在本地，這與觀察到的電離曲線非常吻合。

通過詳細的模擬，我們發現這個簡單的過程，即暗物質粒子湮滅成電子和正電子，可以自然地解釋在 CMZ 中觀察到的電離率。

更好的是，暗物質所需的特性，例如其質量和相互作用強度，與早期宇宙的任何已知約束并不沖突。這種暗物質似乎是一個嚴肅的選擇。

正電子之謎

如果暗物質在 CMZ 中產生正電子，這些粒子最終會減慢速度并最終與環境中的電子一起湮滅，產生能量正好為 511keV 的伽馬射線。這將提供電離和神秘輝光之間的直接聯系。

我們發現，雖然暗物質可以解釋電離，但它也可能能夠復制一定量的 511keV 輻射。這一驚人的發現表明，這兩個信號可能來自同一個來源，即輕暗物質。

511keV 線的確切亮度取決于幾個因素，包括正電子與電子形成束縛態的效率以及它們的確切湮滅位置。這些細節仍然不確定。

測試無形事物的新方法

無論 511keV 發射和 CMZ 電離是否共享一個共同的來源，CMZ 中的電離率正在成為研究暗物質的有價值的新觀測結果。特別是，它提供了一種測試涉及淺暗物質粒子的模型的方法，而這些模型很難使用傳統的實驗室實驗來檢測。

在我們的研究，我們表明暗物質的預測電離曲線在整個 CMZ 上非常平坦。這很重要，因為觀察到的電離確實分布得相對均勻。

點源（如黑洞位于銀河系中心或宇宙射線源，如超新星（爆炸的恒星）無法輕易解釋這一點。但是平滑分布的暗物質暈可以。

我們的研究結果表明，銀河系的中心可能為暗物質的基本性質提供新的線索。

未來具有更好分辨率的望遠鏡將能夠提供有關 511 keV 線與 CMZ 電離速率之間的空間分布和關系的更多信息。同時，對 CMZ 的持續觀測可能有助于排除或加強暗物質的解釋。

無論哪種方式，這些來自銀河系中心的奇怪信號都在提醒我們，宇宙仍然充滿了驚喜。有時，向內看，我們自己銀河系充滿活力、發光的中心，會揭示出最意想不到的暗示，即更遠處的東西。

夏姆·巴拉吉， 物理學博士后研究員，倫敦國王學院

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