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2014-9-26

疑似源自暗物质的星系团神秘发射线?

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 2:39 pm

暗物质的直接或者间接搜索可谓是当代天文学和粒子物理学的热门领域了。由于诸多理论都预言了可能的暗物质粒子衰变的行为,寻找相关的光谱信号是研究重点之一。而又由于宇宙中最大规模的自引力结构——星系团也是暗物质集中的区域,对星系团进行考察也是自然之选。

其实除了光谱信号的搜索,利用星系团研究暗物质更常用的途径是借助引力透镜效应。这一方法可以通过背景天体的透镜影像来反推前景星系团的质量分布,进而是暗物质分布。另外经由星系团中充斥的热气体特性来反推团内的引力场,也可以给出暗物质的情况。不过暗物质粒子本身的特性都不能通过这两种方法来限制,而只能借助直接探测或者谱线搜索。先前有报道发现了疑似源自WIMP粒子湮灭的130 GeV线或者是高能电子流量增强,本文要提到的则是最近的一项研究,宣称在星系团中找到了某一类暗物质粒子的衰变线。

这种粒子叫做惰性中微子,存在于粒子物理标准模型的某些扩展理论中。与可以进行弱力相互作用的普通中微子不同,惰性中微子只能与普通物质发生引力相互作用,因此满足暗物质的要求。根据理论,惰性中微子可以自发衰变,衰变产物是一个能量相当于粒子质量一半的光子,以及一个普通中微子。由于理论预言的惰性中微子静止质量在keV能段以上,对应的衰变产物光子就应该落在X射线波段内。

过去不少人在单个星系或星系团的观测数据中搜索过可能的衰变信号,但都没能得到确切的结果,只得到了上限。新的研究进一步挖掘了XMM-牛顿望远镜的存档数据,通过叠加多个星系团多次观测获得的X射线能谱,最终让一条前所未见的暗弱谱线浮出了水面。由于这条谱线不能用任何已知元素的辐射解释,对它的可能成因就是惰性中微子的衰变了。

叠加涉及的对象包括73个红移介于0.01到0.35之间的星系团。首先研究者将所有光谱修正为零红移处的形态,将修正后的光谱彼此叠加,这样可以在很大程度上消除背景噪声以及仪器误差,却让光谱中微弱的本征结构凸显出来。新发现的谱线位于3.55到3.57 keV的能段上,如下图所示。

新发射线的能谱,图中红线表示不考虑这条发射线拟合出的背景谱。(图片来源:Bulbul et al. 2014

不得不说,这条谱线的强度真的很弱。其实前文所说的“不能用任何已知元素的辐射解释”并不严格。钾元素的18次电离线K XVIII对应能段是3.515 keV,正好跟新谱线的位置有所重合。不过这条钾线的强度是与硫、钙等其他元素一系列发射线强度相关的,根据这一系列谱线推出的K XVIII强度只是观测到的这条暗弱谱线的20分之一左右。而且新谱线的线心位置也与3.515 keV存在3.5σ的偏离,因此有必要诉诸元素谱线之外的其他解释。

而为了确保这条新谱线并非明亮星系团的专利,研究者又排除了样本中英仙、后发、半人马与蛇夫4个亮团,发现在暗团的样本中同样存在这条谱线的迹象,几个亮团的叠加谱亦然,且亮度也彼此一致。更进一步,钱德拉X射线天文台的观测还表明在英仙星系团中这条谱线是存在的,同时还为室女星系团提供了谱线流量的上限。

英仙星系团的X射线影像以及新谱线的形态。(图片提供:NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.)

那么这条谱线是否可能起源于已知过程,如新的元素发射线?按照当前对元素跃迁的认知,3.57 keV附近不应该存在什么元素的辐射。氯元素的16次电离线对应能段是3.52 keV,勉强可以符合要求,但是如果用它来解释观测数据,这条谱线就必须伴随以其他能段的氯发射线,但人们并没有发现后者。其他几种可能的元素发射线也都因为强度不足或者伴随其他谱线的缘故可以被排除掉。

除了元素发射线,其他等离子体相关解释,如元素的复合连续谱边缘或非热平衡环境下的辐射也都难以解释新发现的特征,因此研究者转而考虑更为奇异的惰性中微子。如果这一情况属实,那么相应粒子的质量应该是谱线对应能段的2倍,也就是7.1 keV左右。不过经由不同子样本推出的惰性中微子混合角有所不同,还有待进一步考察。

新谱线的发现置信度虽然较高,但若要最终确认它的存在并保证其确实源自暗物质衰变,还需要各大X射线观测仪器的通力合作,同时进一步排除其他可能的辐射机制。就算惰性中微子衰变起源最终得到了确认,这也并不意味着其他可能的暗物质粒子并不存在——各种粒子很可能是同时共存的,在其他方面进行研究也很有必要。

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