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暗物质在银河系这类星系中占很大比例，但科学家们仍在研究它到底是什么。像鲁宾天文台这样的新型望远镜可能会帮助天文学家找到暗物质。图片来源：鲁宾天文台NOIRLabSLAC美国国家科学基金会美国能源部AURAB.Quint。

暗物质约占宇宙物质的85%，但无法被直接观测到。研究人员已发现暗物质存在的可能线索，但证据尚未确凿。新型望远镜或许有助于确认这些信号是否来自暗物质。

本文最初发表于《对话》。由EarthSky编辑。

作者：马可阿耶洛（克莱姆森大学）与克里斯托弗卡温（克莱姆森大学）

什么是暗物质？

NASA通过阿尔忒弥斯计划让宇航员重返月球并最终将人类送上火星的计划，凸显了太空探索取得的巨大进展。然而，尽管月球和火星仍是充满科学奥秘的引人入胜的目的地，但望向太阳系之外会引发关于宇宙本身更深层次的问题。

在这些最大的谜团中，物质便是其中之一：它是构成我们周围一切事物的物质。令人惊讶的是，宇宙中的大部分物质是不可见的，天文学家至今仍不知道它究竟是什么。

物理学家估计，大约85%的物质是由我们无法看到、触摸或直接探测到的东西构成的。这种难以捉摸的物质被称为暗物质。它不像恒星或星系那样发光。科学家知道它存在的唯一原因是它的引力。

星系旋转速度过快，仅靠可见物质无法将它们束缚在一起。光在穿越太空时的弯曲程度比预期更强。星系团内的星系相互飞过的速度，比仅基于其可见质量所应有的速度快得多。

基于来自宇宙各处的数据，科学家们不断得出相同的结论：宇宙中存在某种无法被看见，但存在却毋庸置疑的东西。这是一个长久以来一直吸引着像我们这样的天文学家的问题。

那么什么是暗物质，它为什么重要呢？

全新种类的粒子？

我们日常世界中的一切都是由原子构成的，原子是质子、中子和电子的组合体。这些粒子构成了恒星、行星、人类以及你所看到的一切。

科学家认为，暗物质从根本上是不同的。它可能由尚未被发现的全新粒子组成。了解这些粒子是什么将填补物理学科学认知中的一个重大空白。但暗物质的重要性远不止于粒子物理学。

暗物质在塑造宇宙方面发挥了关键作用。在开启宇宙诞生的大爆炸之后不久，它就充当了一种引力支架，帮助普通物质聚集在一起形成最初的星系和恒星。即使在今天，它仍然是维系星系的无形胶水。

换句话说，如果没有暗物质，你所知道的宇宙可能就不会存在。

如何搜索隐形的事物

因为暗物质不发光，科学家们必须间接寻找它。一种有前景的方法是寻找其粒子通过一种被称为湮灭的过程碰撞并相互毁灭时可能产生的信号。

这个想法听起来可能很新奇，但它有一个常见的类比。在医学成像领域，正电子发射断层扫描扫描仪（简称PET扫描仪）等设备会检测反物质粒子——正电子——与正常物质电子湮灭时产生的辐射。

反物质只是一种由粒子构成的物质形式，这些粒子与普通物质具有相同的质量，但电荷和量子特性相反。PET扫描仪中的湮灭信号使医生能够绘制人体内部癌组织的分布图。

科学家们希望暗物质也能发生类似的情况。如果暗物质粒子相互湮灭，它们可能会产生一种被称为伽马射线的高能辐射。这些伽马射线可以像指纹一样，揭示暗物质的聚集位置及其特性。

作为研究伽马射线的天体物理学家，我们和我们的合作者使用天基望远镜来搜寻这些信号。

水瓶座项目的可视化图像，该项目是一项高分辨率的宇宙暗物质模拟。图像展示了左侧面板中宇宙大尺度上的暗物质结构，以及银河系尺度上的暗物质结构。图片由VolkerSpringel处女座联盟水瓶座项目提供。

银河系中心的一个神秘信号

这项研究最强大的工具之一是美国国家航空航天局（NASA）的费米大面积望远镜（FermiLAT），它一直在观测伽马射线天空。伽马射线是能量最高的光形式，由宇宙中一些最极端的现象产生。

多年来，费米望远镜探测到来自银河系中心的一种无法解释的伽马射线辉光。基于星系旋转曲线、恒星运动和光的弯曲等引力观测，结合宇宙学模拟，天体物理学家认为该区域暗物质含量极高，使其成为寻找湮灭信号的有趣场所。

这种光芒可能是暗物质存在的证据吗？

有可能。但有一个复杂情况：银河系中心还存在许多更常规的天体物理伽马射线源，例如由大质量恒星坍缩形成的快速旋转的中子星。这些天体产生的伽马射线可能会模拟暗物质的预期信号。

目前，科学家还无法确定是什么导致了这种辐射。这个信号可能是一项突破，也可能只是某种更普通的现象。

来自较小星系的线索

为了帮助解开这个谜团，研究人员还研究了围绕银河系运行的、被称为矮星系的小得多的系统。这些星系含有暗物质，但其他伽马射线源相对较少，这使它们成为寻找暗物质相关信号的更干净的环境。

到目前为止，尚未有明确的检测结果。

不过，克莱姆森大学我们团队近期发表的一项分析发现了这些矮星系中出现信号的迹象，此后收集的更新结果也支持了这些发现。

利用最新的费米LAT数据，结合更新的矮星系普查结果和对其暗物质含量的改进估算，我们在整个矮星系群体中搜索了微弱的伽马射线信号。这让我们发现了伽马射线的过剩现象，早期研究也曾暗示过这种现象。我们收集的数据越多，这种过剩现象看起来就越显著。

目前关于暗物质存在的证据还不够充分，无法断言已探测到暗物质，但这一迹象十分引人关注。该信号的特性也与科学家在银河系中心观测到的现象相符。如果这两种信号有着相同的起源，那么暗物质存在的可能性将变得更大。

费米航天器对天空进行观测，间接寻找暗物质。图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心克里斯史密斯（USRAGESTAR）。

未来十年可能是决定性的

确认暗物质信号需要更多数据和更先进的仪器协同工作。

费米大型区域望远镜的未来观测将继续提高这些搜索的灵敏度。此外，像智利的维拉C鲁宾天文台这样的新设施，预计将发现更多矮星系供研究人员研究。

另一项关键任务是美国国家航空航天局（NASA）的康普顿光谱仪和成像仪（COSI），计划发射。COSI将提供伽马射线天空的新视角，并可能帮助解开一些长期存在的谜团。这些谜团中包括来自星系中心的另一种无法解释的明亮辉光，这种辉光是电子和正电子湮灭时产生的，就像在PET扫描中一样。

尽管50多年前就发现了湮灭信号，但科学家们仍然不知道这些正电子来自哪里。通过以前所未有的细节绘制这种辐射图，COSI可能有助于揭示是什么产生了这种辉光，以及它是否可能与暗物质和银河系中其他无法解释的信号有关。

COSI望远镜的艺术家概念图，该望远镜将研究星系中的反物质。图片由诺斯罗普格鲁曼系统公司提供。

是暗物质还是别的什么东西？

这些努力，连同其他许多正在进行的探索，可能有助于确定科学家们看到的究竟是暗物质的指纹，还是完全不同的其他东西。

随着人类进一步探索太空，从月球到火星乃至更远的地方，新的世界正等待被发现。与此同时，在太空探索的新时代里，每一次新的观测都可能让科学家们离回答物理学中最基本的问题之一更近一步。

作者：马可阿杰洛，克莱姆森大学物理学与天文学教授；克里斯托弗卡温，克莱姆森大学物理学与天文学助理教授