[비즈한국] 似乎有很多人非常讨厌“暗物质”这个概念。仅靠肉眼可见的明亮恒星，无法解释宇宙的引力。因此，天文学家不得不得出结论：宇宙中必然存在某种东西，它虽然不与光发生任何相互作用，但确实具有质量并发挥着引力作用。
据推测，暗物质占据了宇宙总质量的80%。根据现行的标准宇宙学模型，如果没有暗物质，宇宙中什么也创造不出来。如果没有暗物质，星系的引力会变得极度微弱，在星系中高速旋转的恒星早已脱离星系引力的束缚，四散到宇宙深处。星系、星系团乃至我们的宇宙之所以至今未被破坏并能维持稳定的结构，以及物质在数十亿年间汇聚成如今宏大的宇宙大尺度结构，这一切都是因为暗物质发挥了其应有的作用。
尽管如此，很多人并不欢迎暗物质这一概念，这可能源于我们至今对其本质和构成一无所知的遗憾现实。甚至有不少人主张，暗物质本身在宇宙中并不存在，天文学家所认为的所有暗物质间接证据都只是我们的错觉。作为天文学家，很难接受这种盲目的指责。因为暗物质的存在是过去半个世纪以来，通过多种独立观测数据所指向的唯一且最合理的结论。
如果像天文学家所说的那样，暗物质真的存在于宇宙中，并且占据了如此大的比例，为什么一直没能真正捕捉到它呢？或许在不知不觉中，我们已经捕捉到了暗物质最确凿的证据。最近发表了一项非常有趣的分析。该研究认为，我们在15年前就已经捕捉到了暗物质存在的证据，且其表现形式完全符合预期。只是我们当时缺乏自信，过于谨慎，以至于没能正确地接纳这一证据。那么，我们15年前捕捉到的证据究竟是什么呢？
让我们暂时搭乘时光机回到15年前。2008年6月，费米伽马射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）进入轨道。该望远镜搭载的广角望远镜LAT（Large Area Telescope）多年来持续探测着全宇宙的伽马射线光。伽马射线常出现在超级英雄电影中，被描写为因误照主角而导致其变异的射线。这是因为伽马射线比X射线的波长更短、能量更强。核弹爆炸时也会泄漏出伽马射线。
宇宙中最极端、最猛烈的瞬间都会产生伽马射线。例如，寿命终结的重恒星爆炸成为超新星的瞬间，会喷涌出伽马射线。当超新星爆炸时以极高速度释放的残骸与周围星际物质碰撞时，也能捕捉到伽马射线。或者像中子星这种死后残留物，在高速自转形成强磁场时，也会从脉冲星中探测到。在位于星系中心的超大质量黑洞贪婪地吞噬物质的现场，特别是在只存在于早期宇宙的类星体等极端现象中，也会捕捉到极强的伽马射线。
费米望远镜的LAT一次性可以扫视约占天空20%的广大区域。得益于此，它能够瞬间捕捉到宇宙各地不间断发生的各种极端现象。然而，随着2009年费米望远镜拍摄的银河系中心附近伽马射线地图的公开，新的争议开始了。
费米望远镜发现，银河系中心正极其密集地向外喷射着异常明亮的伽马射线闪光。银河系中心区域恒星和气体的密度极高。这里不仅聚集了大量进化极快的重恒星，超新星爆炸和恒星死亡现象也极其频繁。质量相当于太阳400万倍的超大质量黑洞，可能也共同构成了银河系中心强烈的伽马射线。天文学家们已经掌握了银河系中心超新星和脉冲星的密集程度，以及银河系中心黑洞喷射能量的猛烈程度。
问题在于，即便将我们已知的所有可能产生伽马射线的现象都计算在内，仍无法填补费米望远镜实际捕捉到的强烈伽马射线强度。与基于我们已知所有伽马射线源的计算结果相比，银河系释放出的伽马射线强度几乎高出一倍。这显然暗示着在银河系中心潜藏着某种我们尚未发现、正在喷涌伽马射线的物体。通过费米望远镜观测揭示的这一银河系中心谜团，被称为“银河系中心GeV伽马射线超额”（GeV Excess）。而且，我们至今仍未搞清楚究竟是什么原因导致银河系中心泄露出比预期更强的伽马射线。
然而，随着银河系中心伽马射线超额现象的曝光，一些天文学家开始提出一个有趣的假设，即这是由暗物质引起的。暗物质从根本上不与光发生任何方式的相互作用。它不仅本身不发光，也不吸收光。因此，通过常规的影像观测和光谱观测，无法找到任何痕迹。
但我们可以做这样的假设：无论如何，如果暗物质是由某种未知的基本粒子构成的物质，那么它们也应该像电子和正电子一样，存在与之对应的反粒子。粒子与反粒子相互碰撞时，两者的质量会完全转化为能量，此时会释放出巨大的能量。考虑到原子核质量中极小一部分转化为能量的核聚变，就足以让像太阳这样巨大的恒星闪耀数十亿年，那么如果是不仅仅是一小部分，而是两个粒子全部质量都转化为能量的湮灭过程，又会释放出多么巨大的能量！同理，构成暗物质的基本粒子如果与对应的反暗物质粒子碰撞并发生湮灭，也能瞬间释放出巨大的能量。
这里需要明确的是，虽然暗物质不与现有的光发生相互作用，但在暗物质之间相互碰撞并消失的湮灭过程中，确实可以释放巨大能量，而这些能量可以作为GeV级别的强伽马射线被捕捉到。
事实上，考虑到经典暗物质模型下的银河系中心密度分布，这是一个非常有道理的推测。暗物质不受温度、热量或压力的干扰，仅受引力驱动而聚集。在天文学中，这种暗物质被称为“冷暗物质”，是迄今为止最能解释我们宇宙的模型。根据该模型，暗物质在引力作用下聚集并形成星系晕，越靠近星系中心，密度会呈陡峭上升趋势。这种密度分布被称为“纳瓦罗-弗兰克-怀特（NFW）剖面”。我们的银河系应该也是通过这一过程形成的。因此，可以认为在银河系中心，虽然肉眼看不见，但暗物质粒子正以极高的密度聚集在那里。
密度越高，暗物质粒子之间碰撞的概率也越高。相应的，暗物质粒子与反粒子相互碰撞并消失的湮灭频率也会非常高。最终，银河系中心的伽马射线超额来源，很可能就是因为高密度聚集的暗物质之间的湮灭。有趣的是，从费米望远镜捕捉到的伽马射线超额分布来看，它以银河系正中心为基准，向两侧呈非常对称的分布。这与“暗物质团块在银河系中心以圆状高密度聚集”的预测非常吻合。那么，暗物质的存在是否已经明确了呢？并非一定如此。
在费米望远镜扫描银河系中心之前的2007年，其他天文学家也提出了负面分析，认为仅凭寻找伽马射线超额的方式，无法找到暗物质的“铁证”。他们提出了这样一个问题：在银河系中心，除了超新星和黑洞外，以极短周期自转的脉冲星，即“毫秒脉冲星”，也可能提供额外的伽马射线来源。
原本正在自转的恒星坍缩、体积急剧减小时，为了守恒角动量，会形成以极高速度自转的脉冲星。特别是在像银河系中心这种恒星密度极高、极其拥挤的区域，恒星并非孤立存在，而是经常形成双星系统。当组成双星的恒星中有一颗先变成脉冲星时，它会从伴星那里抢夺物质。与此同时，脉冲星的自转速度开始加快，从而可能演变成毫秒脉冲星。
这样形成的毫秒脉冲星可以存活数十亿年而不死。如果过去岁月里在银河系中心这种事屡见不鲜，那么现在银河系中心极有可能聚集了大量高密度的毫秒脉冲星。它们不仅发射极强的无线电波，同时也发射伽马射线。
2007年的论文中，天文学家提出了“极易将毫秒脉冲星发出的伽马射线误认为是暗物质痕迹”的问题，并批评了试图以伽马射线超额为根据寻找银河系中心暗物质痕迹的做法本身就是毫无意义的。关于为什么没有同时观测到毫秒脉冲星应有的强烈无线电波，是可以用逻辑解释的：因为银河系中心充满了高密度的气体云，这会导致无线电波向四面八方散射，从而增加了观测难度。
最终，银河系中心的伽马射线超额现象变得既可能是暗物质造成的，也可能是毫秒脉冲星造成的，两种解释都说得通。随着争议的持续，通过费米望远镜捕捉到的这一过于对称的伽马射线超额现象，至今仍未得出明确的定论。
然而最近，对于那些期待伽马射线超额能证明暗物质存在的天文学家来说，发布了一项非常有希望的分析结果。这次的线索来自红外线观测，而非伽马射线。当用伽马射线观察时，银河系中心看起来比预期亮了近两倍；而用红外线观察时，它却看起来要暗淡得多。显而易见，在银河系中心及中心分子区（CMZ, Central Molecular Zone），许多恒星在爆炸时会发出各种光，被加热的尘埃云应该会发出强烈的红外线。然而实际观测显示，银河系正中心的红外线探测非常微弱。导致伽马射线过剩、伽马射线超额的银河系中心，这次却呈现出红外线不足、缺失这一新问题。
通常，存在于宇宙空间和星际物质中的氢分子以两个相同氢原子结合的H₂形式存在。由于该结构是对称的，分子内部的振动或旋转不会轻易改变电偶极矩。然而，为了让分子吸收长波红外线，分子内部的振动或旋转运动必须能够使其偶极矩发生剧烈变化。不仅是氢分子，氮分子、氧分子（N₂, O₂）等对称双原子分子的电偶极矩变化也很微小。因此，仅凭它们通常无法产生有意义的红外吸收。相反，由三个以上原子组成的多元分子，例如二氧化碳或水分子，它们是不对称的。因为可能发生非对称的振动和旋转运动，所以能够更高效地吸收红外线。
为了解释银河系中心探测到的红外线缺失问题，最终结论是银河系中心必须存在由三个氢原子组成的三氢阳离子（H₃⁺）形态的分子。这是三个氢原子结合并丢失一个电子后的形态，因其结构不对称，可以进行分子内振动和旋转。得益于此，电偶极矩容易发生变化，从而起到非常高效的红外吸收剂作用。事实上，该成分正是木星大气中强烈吸收红外线的主要分子。为了解释银河系中心缺失的所有红外线，令人惊讶的结论是，银河系中心必须存在比预期多出近100倍的H₃⁺。研究小组主张，暗物质的新证据正隐藏于此。
这项研究假设银河系中心聚集的暗物质粒子，比最初预想的要轻一些，是具有数MeV左右质量的中等质量暗物质粒子。这种规模的暗物质粒子与反粒子相互碰撞并发生湮灭与衰变，从而产生电子和正电子。这些额外生成的电子和正电子在电离普通氢的过程中，可以生成由三个氢结合而成的H₃⁺。
总结来说，银河系中心密集的暗物质相互碰撞产生新的电子和正电子，这些电子和正电子再次电离星际物质中的普通氢，最终形成了三个氢结合的不对称分子。
这种电子-正电子的湮灭会同时释放出能量刚好在511keV水平的伽马射线。这一事实可以解释自费米空间望远镜升空前很久的1970年代起就悬而未决的重要现象。很久以前，天文学家就发现银河系中心一个非常狭小的区域内，集中探测到了能量为511keV的伽马射线。如果接受这篇论文提出的假设，这一谜题就能自然地得到解释。随着证明暗物质存在的拼图完美契合，所有问题似乎都迎刃而解，令人感到激动不已。
如果此次提出的主张属实，那么我们很早以前就一直注视着暗物质所展现的痕迹，却没能察觉到那是暗物质所为。甚至暗物质一直以宇宙中最强烈的伽马射线这种高能光在炫耀自己的存在，我们却视而不见。这种与光不发生任何相互作用、无法拍照、无法被探测器捕捉的幽灵般存在，竟然可能一直通过最高能的光向我们展示着它的痕迹，这听起来具有极大的讽刺意味。
15年前，当通过费米望远镜首次发现伽马射线超额现象时，我们是否太过谦虚和彻底了呢？或许是因为断定“现在捕捉暗物质的确凿证据还为时过早”而过于草率地放弃，转而费尽心机地寻找像毫秒脉冲星这样的替代方案，从而绕开了眼前显而易见的真相，选择了自我逃避。
参考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.101001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001742
作者Ji Woong-bae是谁？他热爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立下了向世人宣传宇宙之美的梦想。目前在延世大学银河进化研究中心及近宇宙论研究室从事通过星系相互作用进行进化的研究，并进行演讲和写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧的天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书籍。