银心方向的伽玛射线辐射超出得以敲定？
自从2008年费米伽玛射线空间望远镜发射以来，就不时有人声称在费米的数据中找到了银河系中心方向GeV光子流量的超出。由于超出的一个可能来源是暗物质粒子（尤其是弱相互作用大质量粒子WIMP）的自我湮灭，每次相关结果发布都会惹来业内的关注与热议。但是之前这所有的结论都系费米组外的研究者所为，这颗卫星的官方对其既不承认，也不否定。今年4月，费米小组终于以Fermi-LAT Collaboration的名义，就银心高能辐射一事表了态：根据星载大面积望远镜（LAT）6年半的观测，银心区域在数个GeV能段上的流量确实较传统模型的预言以及已知源的贡献为高。
之前对银心GeV超出最为热衷的当属费米实验室的Dan Hooper及其合作者，3年前他们言之凿凿地声称以40 σ的置信度找到了源于暗物质湮灭的银心超出信号。但这类结论的可靠性争议重重，来自其他学者的反驳意见也是司空见惯。就算银心的高能超出确实存在，各家就其形态也未能统一意见——有说是它呈球状分布，与暗物质湮灭机制的预言相符；同时还有其他观点称超出部分具有双瓣结构，更像是费米泡的延续；抑或超出区相对分子云的分布成协，如此这般起源就要更加普通了。
如此争议的起因在于数据处理过程中的不确定性。仪器本身存在误差固矣，为了让可能的超出信号显山露水，最重要的是设法扣除一切已知的前景和背景。能够发出伽玛射线辐射的场所有很多，包括脉冲星、双星与超新星遗迹，甚至在空荡荡的星际空间中，宇宙线与稀疏介质的碰撞、带电粒子的逆康普顿散射或轫致辐射都会伴随高能光子的产生，人们对所有这些过程的认识迄今也难称全面。
而鉴于暗物质在理论上要集中沉降在星系核区，如果其粒子可以发生自我湮灭，并释放出伽玛光子，这些光子也理应相对银心集中。这样银心的超出情况就可以用于反推暗物质粒子的特性和数量了，前景相当诱人。但是科研工作的一条重要原则是，在最终接受非凡假设之前，首先需要排除其他所有更加平凡的可能性，所以这次费米组首先就是从前景和背景模型的性质入手。
用于本项研究的1 MeV到1 TeV数据采集自2008年8月初到2015年7月底，其中排除了一切校准期的结果。考虑有时带电粒子会被LAT误判为伽玛光子，待选事件需要满足足够高的纯净度标准。而且为了排除地球的污染，这些信号距离望远镜所在处的天顶也不能超过90度。费米大面积望远镜第三伽玛源表（3FGL）中1 GeV以上能段流量最强的那些点源所在的位置也都自然被排除在外。
宇宙线中的强子成分与星际介质的非弹性碰撞是河内弥漫伽玛辐射最主要的源头。这一过程会生成中性π介子，而π介子的衰变要伴以GeV光子的释放。宇宙线正负电子在低能星际辐射场（包括星光、星际尘埃和宇宙微波背景辐射）中的逆康普散射补充了弥漫伽玛辐射的最高和最低能部分，它们较强子碰撞带来的成分更加缺乏空间结构。此外，电子与星际气体相互作用产生的轫致辐射还能在10 GeV以下能段提供额外的流量。在分析过程中，费米组假设宇宙线是在Kolmogorov湍流形式的星际介质中经历扩散、再加速，根据多波段巡天给出的不同成分气体分布形态，并额外考虑了一号圈、费米泡、已知明亮点源和部分展源，使用GALPROP程序来计算这些宇宙线起源的弥漫背景模型。
0.1-1.1 GeV（上）、1.1-6.5 GeV（中）与6.5-1176 GeV（下）三个能段伽玛射线观测数据（左）、模型计算结果（中）与二者的差值（右）比较。（图片来源：Ackermann et al. 2017）
将实际的观测数据与背景辐射模型相减，还是可以看到不少理论尚无较好解释的辐射超出区。这其中包括一号圈、费米泡附近，还有银盘上下的大片区域，当然也包括银心（不过银心并非最明亮的一处）。这样看来，银河系中心的高能超出确系真实存在。
在这样的研究中，因为种种不确定性的存在，与其寻找最佳模型，还不如系统性地探讨各种因素对结果的影响。因此在费米组发表的这篇文章中，有很大一部分篇幅就是在改变各种参数和建模初始条件，如数据集的选择范围（如天顶角区间、洁净标准）、宇宙线传播计算中的各个假定（如宇宙线源的分布和数量、传播晕的大小、氢原子的自旋温度进而是气体柱密度的确定、逆康普顿散射成分的处理、星际气体示踪成分的选择）、点源或费米泡低银纬区域等结构的模型选取，来观察所得的超出有何变化。
不出意外，这些东西的变化都会或多或少地影响银心超出的谱形和强度。但幸运的是，影响幅度较大、甚至可以让银心超出完全消失的因素基本都只限于改变低能区（1 GeV以下）的能谱；而根据所有参数组合得到的超出部分都会在3 GeV左右达到峰值，这里一切变数都没能改变其实质，因此银河系中心存在GeV超出的这一基本结论还是值得信赖的。
费米组得出的银心超出能谱形态。图中蓝色数据点是根据本项研究的弥漫辐射基本模型导出的，浅蓝色区域表示误差范围；其他颜色的数据点以及曲线是先前若干工作得到的结果。（图片来源：Ackermann et al. 2017）
银心超出的存在性既定，其形态是另一个需要落实的重要特性，因为这与超出的起源直接相关。考虑要详尽回答这个问题，也免不了受到弥漫背景辐射模型误差的制约，费米组只检视了银心辐射在较大范围内的统计特性，并发现其分布形态与银心附近费米泡的形态选取关系很大。比如倘或不在银心左侧额外引入泡状结构和背景辐射谱，银道坐标系的四个象限内的超出谱形式迥异，尤以10 GeV之上的高能区为甚（下图左）；引入后则对称度提升了很多（下图右）。
那么这样的超出可否借助暗物质湮灭来解释？由于暗物质理论本身的不确定性，费米组尝试了一系列的拟合，发现单纯凭借任何一种暗物质模型本身都不能较好地解释这次找到的GeV信号。就算考虑能谱中的高能尾源于费米泡内区，与银盘其他区域对比分析表明，暗物质湮灭在银心造成超出一说并不成立。据此虽说可以推出湮灭反应截面的新上限，但这仅仅是一个上限而已，应该会让不少人失望的。
银心GeV超出的能谱（黑色数据点）与暗物质湮灭产生的可能能谱（彩色实线）的比较。（图片来源：Ackermann et al. 2017）
所以这次费米组的官方表态在为银心存在超出背书之余，也着实泼了暗物质一大盆冷水。那么如此超出究竟源于何方，是费米泡，还是银心附近的宇宙线源、毫秒脉冲星，抑或暗物质湮灭也还是多少占据了一部分？这仍旧是个谜，而且现在看来，这最后一种情况无论如何也不大会是超出的主导因素了。
