[비즈한국] 1994年7月，观测木星的天文学家们目睹了惊人的一幕。此前在1992年接近木星时，受其强大引力影响而分裂成21块碎片的苏梅克-列维9号彗星，正朝着木星表面俯冲。木星的云层表面留下了暗黑色的淤青状痕迹。人们甚至捕捉到了彗星碎片坠落时，木星表面瞬间扩散出的明亮冲击波。恰逢彗星碎片坠落在木星向阳面与背阳面的边界处，使得冲击波的景象显得格外清晰。
然而，在木星背向太阳的暗夜面，能看到的或许不仅仅是彗星坠落留下的冲击波痕迹。最近，天文学家们正探讨一种可能性：在木星的夜侧，或许能找到现代宇宙学长久以来的谜题——暗物质的踪迹！
包括木星在内的太阳系外侧巨型气态行星，蕴含着大量的氢。氢是宇宙中含量最丰富的元素，占宇宙总质量的75%。通常在恒星与恒星之间的星际空间中，氢以两个氢原子结合的氢分子形式存在。这是在温度极低的星际空间中也能保持稳定的形式。
但是，如果周围存在像喷射高速气流的黑洞，或者发出强烈紫外线的明亮恒星那样向四周释放强能量的天体，就可能存在另一种形式的氢。这就是由三个氢原子组成的氢分子离子（Trihydrogen cation, H3+）。通常，一个氢原子由中心的一个质子和一个电子组成。稳定的氢分子则由两个这样的氢原子聚集，共含有两个质子和两个电子。
然而，如果周围有发出强光的天体，使其获得强烈能量，氢分子中的一个电子就可能被剥离，形成氢分子离子（H2+）。这样形成的氢分子离子与周围残留的其他普通氢原子重新结合，最终由三个氢原子组成，只丢失一个电子，呈三角形结构的氢分子离子。这种独特形式的氢离子早在1911年物理学家J. J. 汤姆逊进行等离子体实验时被偶然发现，从而为人所知。
木星上也存在氢分子离子。太阳发射的高能太阳风粒子直接倾泻在木星云层表面，从而产生了氢分子离子。特别是在木星正对太阳的明亮昼侧，可以轻易检测到氢分子离子。此外，木星还形成了强大的磁场。高能粒子顺着磁场流向木星北极和南极聚集，正如地球上一样，以极地为中心形成明亮的极光。而在极地周围，也会产生更多的氢分子离子。相反，在背向太阳的木星暗夜面，由于缺乏刺激木星云中氢原子的强能量源，原本预计几乎不会有氢分子离子。
但事实未必如此！刺激木星云中氢的能量源不一定非得是来自太阳的太阳风宇宙射线粒子。如果暗物质构成的未知粒子也是能量源之一呢？
暗物质最初是为了解释星系中恒星异常快速的运动而引入的概念。它被推测为一种既不吸收也不反射光，与光没有任何相互作用，但仅具有质量的未知物质。因此，它承担着补充宇宙表象中所缺失引力的角色。暗物质的真面目至今尚未揭开。起初，暗物质是否像其他基本粒子一样由微小粒子构成也尚不确定。
如果暗物质是由某种粒子组成的存在，我们就能抱有一丝希望。暗物质粒子最终可能也存在与之对应的反物质和反粒子。如果暗物质粒子与反粒子发生碰撞，两者总质量会转化为能量并同时消失，即“湮灭”过程。虽然暗物质粒子本身无法吸收或释放光，但暗物质粒子与反粒子的湮灭可以在周围宇宙空间留下足够强的能量。实际上，一些天文学家曾试图寻找这种暗物质湮灭时可能释放的高能伽马射线和X射线的痕迹。当然，该观测也未找到明确证据。
暗物质通常出现在星系、星系团尺度上，用于解释其中恒星和星系的运动。因此，人们常认为暗物质只存在于星系空间。但事实并非必然。我们的太阳系也是银河系的一部分。如果在星系各处都散布着暗物质，那么作为其一部分的太阳系空间中自然也会渗入暗物质。而且，暗物质之间的湮灭可能在太阳系各处发生，留下强能量的痕迹。
在本次研究中，物理学家们关注了暗物质湮灭发生在木星等巨型气态行星大气层的可能性。如果发生这种情况，湮灭过程中释放的强能量会刺激木星云中的氢原子，通过上述过程形成极其不稳定的氢分子离子。如果在木星云层中检测到的氢分子离子比我们预期的水平更高，那就可能成为木星内部发生暗物质粒子间湮灭的间接证据。
当然，正如前面所解释的，在木星产生氢分子离子的方式不止一种。云层中的氢原子可能在遭到太阳风粒子撞击时被电离，或者在顺着木星强大磁场形成极光时也会产生。因此，有必要将纯粹由暗物质湮灭释放的能量所产生的氢分子离子，与通过这种常规方式产生的离子区分开来。
为此，本次研究关注了不受太阳光照射、背向太阳的木星阴暗夜侧，特别是远离极地、靠近赤道的低纬度夜面。如果即使在背向太阳的漆黑木星另一侧、夜侧的云层中也能检测到相当高水平的氢分子离子，那肯定意味着除了太阳光之外，还有其他未知的能量源在使氢原子电离！
木星的夜侧真的存在氢分子离子吗？事实上，这一观测早在很久以前就尝试过。前往土星的卡西尼号探测器于2000年12月在接近木星时进行了木星飞掠。当时，卡西尼号快速扫过了背向太阳的木星漆黑夜侧。在此过程中，卡西尼号上搭载的传感器确认了木星云层中氢分子离子的存在与否。
幸运的是，氢分子离子在我们日常可观测的3~5微米红外光谱范围内会留下痕迹。因此，确定其存在与否及含量并不太难。但遗憾的是，当时的卡西尼号探测器并未在木星夜侧发现任何痕迹。也就是说，根据卡西尼号的探测结果，在背向太阳的木星夜侧并未检测到氢分子离子！
那么，本次研究中提出的将木星本身作为巨大暗物质探测器来使用的想法，岂不是完全落空了？不，最初在20多年前的2000年卡西尼探测中，已经确认木星云层中检测不到氢分子离子的情况下，为何现在又提出了这种想法呢？
有趣的是，卡西尼探测当时未能检测到氢分子离子这一事实，反而可能成为明确尚属未知的暗物质粒子特性的线索！
卡西尼号探测器在扫过木星当时没有检测到任何信号，可能不是因为氢分子离子一个都没有，而是因为其数量太少。木星云中氢分子离子释放的光强可能太微弱，未达到卡西尼探测器观测设备的最低灵敏度线。我们非常清楚卡西尼探测器的设备能检测到多大强度以上的信号，即观测极限。因此，反向应用这一极限，可以限定当时木星云中氢分子离子信号低于某个水平的范围。也就是说，限制了可能正在木星内部发生湮灭的暗物质粒子最大程度能产生多少能量，确定了暗物质粒子可释放的能量范围！
暗物质粒子相互碰撞消失的湮灭过程能在木星上留下多少能量，主要由两个因素决定。首先是每个暗物质粒子的质量。正如爱因斯坦展现质能等价原理的著名公式E=mc^2所示，质量即能量，能量即质量，湮灭瞬间消失的两个暗物质粒子的总质量会原封不动地转化为能量。因此，通过估算的暗物质粒子产生的能量范围，可以确定暗物质粒子的质量范围。
第二个因素是暗物质粒子之间碰撞的频率。每个粒子碰撞的频率、粒子运动路径重叠的概率由粒子的横截面积决定。如果每个粒子的横截面积大，那么彼此横截面积重叠、碰撞的可能性就越高；如果横截面积小，则不容易重叠，往往会擦肩而过。最终，木星内部暗物质粒子能释放的总能量可以看作是由暗物质粒子的质量和每个粒子的横截面积这两个因素决定的函数。
由于之前的卡西尼号观测中未检测到氢分子离子信号，我们可以假设木星内部暗物质粒子可能产生的能量量低于卡西尼探测器的观测极限。在不超过卡西尼探测器设备检测极限的范围内，通过多样化变换虚拟暗物质粒子的质量和横截面积，可以提出暗物质粒子的物理量可能处于什么范围！
这是一个非常惊人的进展。因为我们可以限定应该在什么程度探索暗物质候选粒子，缩小了合理的范围。不是盲目地在所有质量范围、所有横截面积范围内寻找暗物质候选粒子，而只需要在某种特定的范围内寻找。这对在实际实验室现场为了寻找暗物质真面目嫌疑的候选粒子而努力了数十年的物理学家们来说，可以成为非常出色的指南！
此外，本次研究还提出了更有趣的指南。暗物质粒子一定要渗入我们太阳系内的行星中吗？自然地，它也有可能渗入绕着太阳系外其他恒星运行的气态系外行星中。如果在那里面也发生了与木星类似的情况，即暗物质粒子间的湮灭，那么在背向各自恒星的漆黑系外行星夜侧，应该能检测到更高水平的氢分子离子。暗物质粒子被推测在银河系中越靠近引力强大的银心，其密度越高、越密集。因此，如果可以的话，观测存在于暗物质密度高的银心附近的系外行星更有利。本次分析甚至对如果存在距离我们银河中心分别300光年、3000光年处、拥有约10倍木星质量的沉重气态系外行星，其系外行星大气中能检测到什么水平的氢分子离子信号进行了预测！
如果本次研究的主张确实正确，我们现在可以将木星、土星等巨型气态行星本身利用为一个巨大的暗物质探测器。我们只需要在厚厚的云层中寻找渗入气态行星内部的暗物质粒子湮灭过程中释放的能量痕迹即可。但有一个重要的局限。如果要过滤出仅由暗物质粒子产生的痕迹，必须观看背向太阳的气态行星漆黑夜侧。然而，在地球上看到的木星、土星等气态行星，永远只有反射着太阳光的明亮昼侧。因此，无论用地面望远镜，甚至是绕着地球运行的哈勃、詹姆斯·韦布空间望远镜观测，都看不到气态行星背向太阳的“后脑勺”。
最终，为了将木星和土星利用为巨大的暗物质探测器，需要向其周围派遣新的探测器，在经过背向太阳的漆黑夜侧时进行直接确认。卡西尼号探测器也是20多年前访问木星的老式探测器。现在已经是能够发射搭载了能检测到比那更微弱水平能量的、更先进探测器的探测器时代了。
当然，依然需要数年的漫长等待才能从地球到达木星和土星。但从天文学角度来看，能够将数年内可以到达的、就在眼前的太阳系行星用作确认宇宙最大谜题——暗物质真面目的巨大实验场，这确实是非常大的幸运。那些曾被认为只能在太阳系起源和行星演化等行星科学领域发挥作用的太阳系边缘气态行星，即将迎来成为解决更宏大宇宙学谜题的全新实验舞台的日子。
木星极地极光视频
https://www.youtube.com/watch?v=dplSgv6qlMk
https://esahubble.org/videos/heic1613a/
木星磁场视频
https://svs.gsfc.nasa.gov/4142
费米太空望远镜观测结果视频，探索了推测银心处暗物质粒子间湮灭可能释放出的伽马射线光痕迹
https://svs.gsfc.nasa.gov/11513/
银心黑洞周围密集、相互碰撞并快速绕行的暗物质粒子可视化视频
https://svs.gsfc.nasa.gov/4183/
动画，表现了暗物质候选粒子（WIMP，弱相互作用重粒子）相互碰撞并湮灭时释放能量的过程
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955/
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.261002
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021097
作者池雄培（音译）是谁？喜爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，怀揣了将宇宙的美丽传播给大众的梦想。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论研究室，研究通过星系相互作用的演化，并进行演讲和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧天文台》、《整天想宇宙》、《星，光的科学》等书籍。