暗域来讯？
Govert Schilling
译自Sky & Telescope, Vol. 112, No. 6 (2006)
天文学家探测到了可能产生于暗物质自我湮灭成碎片之时的伽玛射线。
想见识一下不解之谜？睁开伽玛射线的眼睛向上看。你会看到很多明亮的伽玛源，例如已被人们充分了解过的超新星遗迹。但你还会看到以银河系核心为中心近圆形弥漫的低能辐射源。没有人知道它来自何方。
对于点缀在银心的那些小得多的极高能伽玛源来说，情况也是如此。而且，中能伽玛射线的整个天空只比预期的亮那么一点点。天文学家与物理学家一道，决定解决这种种的伽玛射线谜题，因为答案可能会告诉我们关于暗物质的一些东西。
通过观测旋涡星系的自转速率以及星系团中星系的运动，天文学家有很好的理由相信，宇宙中85%的物质成分不发光但有引力作用。没有人知道它们的真实性质。这谜一样的暗物质包括什么新的粒子种类吗？它会不会留下什么可观测的踪迹？也许会的，也就是上述3种不同类别的伽玛射线辐射，用传统方法很难解释它们。
反物质湮灭
不过就算伽玛射线的眼睛确实存在，你也不能从后院中看到银河系神秘的光芒。生命之所以能在地球上生存，是因为地球大气层吸收了这种致命的辐射，也就是电磁波谱中能量最高的部分。只有使用高空气球、探空火箭或是航天器上搭载的设备，才能直接看到伽玛设射线。
因此，直到1970年代初，天文学家才探测到了来自银心的伽玛射线辐射，后来这成了一种特定的能量波段，或说是伽玛射线的“颜色”，也就是511千电子伏，相当于一只飞行中的蚊子动能的百万分之一。这听起来可能并不多，但比可见光光子的能量高上几十万倍。
地面实验室中进行的实验说明，511千电子伏的辐射是电子与其反物质粒子——反电子对撞的证据。当相应的物质和反物质粒子相遇时，它们就互相湮灭，并根据爱因斯坦著名的公式E = mc2将其能量转化成伽玛射线辐射。
天文数据说明，在银河系中心，每年有1050这样惊人数目的反电子被湮灭，这相当于每100000年1个地球质量。这些物质都来自何方？超新星的核反应以及宇宙线粒子与星际介质的碰撞可以产生正电子，但由此过程产生的任何伽玛射线辐射都应严格遵循恒星或气体的分布。这与欧洲空间局的Integral卫星2003年获取的环状图样完全不同。
欧洲空间局的Integral卫星测绘了全天的伽玛射线图。以银心为中心，511千电子伏的强辐射呈环状分布。辐射可能是正负电子对湮灭的产物。但科学家并没有解释所有正电子来自何方，而此种反物质中的一部分可能是暗物质湮灭生成的。另外，反物质也可能是与银心特大质量黑洞有关的剧烈过程产生的。（图片提供：ESA/Jürgen Knödlsder/CESR/CNRS/CNES）
但这样平滑而集中的辐射正是牛津大学物理学家Céline Boehm和Dan Hooper在2003年预言湮灭的暗物质产生正电子的结果。与我们熟悉的原子物质类似，暗物质也受引力作用，所以它们应该下沉到银河系中心。他们进一步指出，暗物质是它们自身的反物质，所以在不常见的对撞中，它们会发生湮灭。深入计算说明，这一过程产生了电子和正电子，以及光子和中微子。电子和正电子依次对撞，产生511千电子伏的辐射。根据Boehm和Hooper的说法，银心的伽玛射线辐射应该是暗物质的标记。
矛盾
许多物理学家认为，暗物质由弱相互作用重粒子（WIMPs）组成。超对称理论，也就是有望扩展粒子物理学中非常成功的标准模型的理论预言，每种已知粒子都有对应的“超对称伴侣”存在。WIMPs就是这样一类伴侣，质量几十万乃至数百万于电子。WIMPs作为质量非常大的粒子，可以受到并施加引力作用，但这就是它们与熟悉的物质作用的唯一方式了。由于它们不受电磁力的影响，它们不能辐射、反射或吸收任何形式的光线。
但Boehm（现在在法国理论物理实验室工作）和Hooper（现在在伊利诺伊州费米实验室工作）预言的暗物质粒子相对来说是明亮的。如果粒子的质量大一些，它们之间的湮灭会产生不稳定的物质和反物质。它们衰变时应该产生比所观测到更多的伽玛射线。
俄亥俄州立大学的John Beacom和Hasan Yüksel认为，Boehm和Hooper的理论要求的暗物质粒子实际上必须轻于6个电子的质量。John Beacom和Hasan Yüksel指出，正反电子湮灭也会产生能量高于511千电子伏的伽玛射线。对于质量更大的暗物质粒子来说，这样的辐射也更强。但伽玛射线天文台并没有探测到它。所以 如果511千电子伏的信号与暗物质有某种关系，神秘的粒子实际上就必须非常轻。
同时，德克萨斯大学Ausin分校的天文学家Kyungjin Ahn和Eiichiro Komatsu假设远方星系周围所有的暗物质晕都以Boehm和Hooper提出的方式辐射511千电子伏的伽玛射线，由此计算出了河外伽玛射线背景辐射的预期强度。他们发现，这样的背景会比观测到的更强，除非暗物质粒子质量比电子大40倍以上。他们的论点是直截了当的：对一定量的宇宙暗物质来说，更低的质量意味着更多的粒子数目，所以它们会产生更多正负电子，产生更强的信号。
因此这就出现了矛盾。一个粒子不可能同时轻于6个电子又重于40个电子。Hooper承认，他和Boehm在2003年被热烈欢迎的暗物质概念现在已经“不那么吸引人”了，但他又指出，Ahn和Komatsu的结论很大程度上取决于暗物质在银河系和其他星系中的分布。他还表示，没有更好的理论能解释511千电子伏的谜题。
HESS之谜
而这并非伽玛射线故事的全部。高能体视系统（HESS）最近观测到了来自银心、能量超高的伽玛射线光子（每个光子能量有数千亿电子伏）。这样的信号有可能与暗物质相关吗？Ahn说，这是可能的，但这一解释仍难以与目前对WIMPs，也就是暗物质最可能的候选对象的认识相合。
HESS是坐落在纳米比亚的新建13米（43英尺）集光阵列，用于研究甚高能伽玛射线。与所有伽玛射线一样，这些高能光子不能在地面上直接观测。但HESS探测的是这些伽玛光子撞击地球大气时产生的暗弱光束（切伦科夫辐射）。2004年，HESS研究者中的一大批合作报道，他们探测到了银心区域的高能伽玛射线强点源。
辐射的来源是未知的，但根据HESS小组成员Dieter Horns的分析，它可能是暗物质湮灭时产生正负电子并在衰变时辐射出高能伽玛射线而产生的。但这样的话，暗物质粒子就要非常重——约莫20000倍于质子（4000万倍于电子）。Ahn说，超对称理论预言的一些粒子可能有这样大的质量，但HESS的观测给目前最热门的超对称暗物质候选者——中性微子（Neutralino）提了个大难题，理论预言此种粒子的质量小于1000倍质子质量。另外，伽玛射线能量分布不符合暗物质湮灭的预计特征。
纳米比亚的高能体视系统（HESS）拍摄到了这张高能伽玛射线的银心照片。最强的辐射源对应银河系中心的黑洞。虽然仍存在争议，一些物理学家还是用大质量暗物质粒子的湮灭解释这个源超乎寻常的明亮。右测较暗的源的个超新星遗迹。由于伽玛射线不能穿过地球大气，HESS阵列以接收切伦科夫辐射，也就是接收它们在撞击地球大气时产生的高能光子这一间接方式来探测它们。（图片提供：HESS Collaboration）
第3个信号
与其他科学家一样，德国Karlsruhe大学的粒子物理学家Wim de Boer认为，银心与超新星、中子星或黑洞有关的天体物理过程可能会解释高能伽玛射线过程。他还认为，这就是511千电子伏低能信号的解释了。但在最近一系列论文中，他宣称仍有第三种来自银河系的伽玛射线信号承载着暗物质的印记。
de Boer和两名同事使用NASA康普顿伽玛射线天文台的公开数据分析出了该卫星的高能伽玛射线实验望远镜（EGRET）在1990年代观测到的超额中能伽玛射线。EGRET在30兆电子伏到100亿电子伏之间探测到了微弱的伽玛射线背景，这一波段在“软”的511千电子伏和“硬”的HESS信号之间。中能伽玛射线最可能的起源是高能宇宙线粒子与星际空间的原子核撞击产生的。但EGRET接收到的信号要比预期更高。
de Boer的观点是，超出部分可以很容易地由质量60倍于质子的反物质粒子湮灭来解释。他从EGRET的全天图推测出了这些暗物质粒子在银河系中的分布，计算了它们的引力影响，并预计了银河系的自转曲线，也就是展示出恒星的轨道速度与银心距离关系的图表。与观测得出的自转曲线的符合是很显著的：计算甚至再现了距银心35000光年处曲线上先前没有解释的“扭结”。
在1990年代，NASA的康普顿伽玛射线天文台上搭载的EGRET设备发现了弥漫天空的中能伽玛射线非预期明亮辉光。它们的性质符合WIMPs粒子——中性微子的湮灭。
可怕的图景
也就是说，EGRET的观测告诉了天文学家关于难捉摸的暗物质的一些东西？瑞典斯德哥尔摩大学的理论物理学家Lars Bergström说，可能并不是。60倍质子质量的暗物质粒子听起来是是天空送给超对称理论家的礼物，这是因为理论预言中性微子的质量就在其附近。但这些大质量粒子的湮灭应该产生质子及其反物质粒子——反电子。也就是说，高空气球上的宇宙线探测器应该探测到大量反质子。但并没有检测到预期数量的此种粒子。Bergström提出了替代的观点，也就是EGRET观测到的超量辐射可以全部归结为宇宙线，在整个银河系中的数目和性质都有所变化。
与de Boer类似，Bergström也对将511千电子伏的暗物质湮灭解释存疑。银河系的伽玛射线辐射与暗物质可能并无关系。总之，暗物质并不一定要湮灭成粒子。例如，暗物质的候选者之一引力微子（引力的传递子——引力子的超对称同伴）可能相互作用弱到难以湮灭的地步。Bergström说，由于天文学家和粒子物理学家从来不能直接探测到它们，引力微子组成的暗物质似乎在某种程度上属于可怕的图景。
因此，这多重的伽玛射线之谜仍是悬而未决……直到现在。高能天体物理学家正期待着2007年8月NASA的伽玛射线大视场空间望远镜（GLAST）的发射。它的仪器比EGRET灵敏50倍，覆盖了更大的能量范围，可以探测上千电子伏的光子。GLAST可能会让天文学家们一劳永逸地解决这个问题。
同时，西欧核子中心（CERN）强大的新加速器——大型强子对撞机即将在瑞士日内瓦建成。这一设施也是预计在2007年启用，可能能够直接探测到超对称。那么，天文学家和粒子物理学家可以得到暗物质的确切数据吗？这个问题难以回答，但竞争在继续。
Sky & Telescope杂志的特约作者Govert Schilling从没看到过伽玛射线或是暗物质，但他在荷兰Amersfoort的家中撰写关于它们的文章。
