[비즈한국] 似乎有很多人非常討厭“暗物質”這個概念。僅靠肉眼可見的明亮恆星，無法解釋宇宙的引力。因此，天文學家不得不得出結論：宇宙中必然存在某種東西，它雖然不與光發生任何相互作用，但確實具有質量併發揮著引力作用。
據推測，暗物質佔據了宇宙總質量的80%。根據現行的標準宇宙學模型，如果沒有暗物質，宇宙中什麼也創造不出來。如果沒有暗物質，星系的引力會變得極度微弱，在星系中高速旋轉的恆星早已脫離星系引力的束縛，四散到宇宙深處。星系、星系團乃至我們的宇宙之所以至今未被破壞並能維持穩定的結構，以及物質在數十億年間匯聚成如今宏大的宇宙大尺度結構，這一切都是因為暗物質發揮了其應有的作用。
儘管如此，很多人並不歡迎暗物質這一概念，這可能源於我們至今對其本質和構成一無所知的遺憾現實。甚至有不少人主張，暗物質本身在宇宙中並不存在，天文學家所認為的所有暗物質間接證據都只是我們的錯覺。作為天文學家，很難接受這種盲目的指責。因為暗物質的存在是過去半個世紀以來，透過多種獨立觀測資料所指向的唯一且最合理的結論。
如果像天文學家所說的那樣，暗物質真的存在於宇宙中，並且佔據瞭如此大的比例，為什麼一直沒能真正捕捉到它呢？或許在不知不覺中，我們已經捕捉到了暗物質最確鑿的證據。最近發表了一項非常有趣的分析。該研究認為，我們在15年前就已經捕捉到了暗物質存在的證據，且其表現形式完全符合預期。只是我們當時缺乏自信，過於謹慎，以至於沒能正確地接納這一證據。那麼，我們15年前捕捉到的證據究竟是什麼呢？
讓我們暫時搭乘時光機回到15年前。2008年6月，費米伽馬射線空間望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）進入軌道。該望遠鏡搭載的廣角望遠鏡LAT（Large Area Telescope）多年來持續探測著全宇宙的伽馬射線光。伽馬射線常出現在超級英雄電影中，被描寫為因誤照主角而導致其變異的射線。這是因為伽馬射線比X射線的波長更短、能量更強。核彈爆炸時也會洩漏出伽馬射線。
宇宙中最極端、最猛烈的瞬間都會產生伽馬射線。例如，壽命終結的重恆星爆炸成為超新星的瞬間，會噴湧出伽馬射線。當超新星爆炸時以極高速度釋放的殘骸與周圍星際物質碰撞時，也能捕捉到伽馬射線。或者像中子星這種死後殘留物，在高速自轉形成強磁場時，也會從脈衝星中探測到。在位於星系中心的超大質量黑洞貪婪地吞噬物質的現場，特別是在只存在於早期宇宙的類星體等極端現象中，也會捕捉到極強的伽馬射線。
費米望遠鏡的LAT一次性可以掃視約佔天空20%的廣大區域。得益於此，它能夠瞬間捕捉到宇宙各地不間斷髮生的各種極端現象。然而，隨著2009年費米望遠鏡拍攝的銀河系中心附近伽馬射線地圖的公開，新的爭議開始了。
費米望遠鏡發現，銀河系中心正極其密集地向外噴射著異常明亮的伽馬射線閃光。銀河系中心區域恆星和氣體的密度極高。這裡不僅聚集了大量進化極快的重恆星，超新星爆炸和恆星死亡現象也極其頻繁。質量相當於太陽400萬倍的超大質量黑洞，可能也共同構成了銀河系中心強烈的伽馬射線。天文學家們已經掌握了銀河系中心超新星和脈衝星的密集程度，以及銀河系中心黑洞噴射能量的猛烈程度。
問題在於，即便將我們已知的所有可能產生伽馬射線的現象都計算在內，仍無法填補費米望遠鏡實際捕捉到的強烈伽馬射線強度。與基於我們已知所有伽馬射線源的計算結果相比，銀河系釋放出的伽馬射線強度幾乎高出一倍。這顯然暗示著在銀河系中心潛藏著某種我們尚未發現、正在噴湧伽馬射線的物體。透過費米望遠鏡觀測揭示的這一銀河系中心謎團，被稱為“銀河系中心GeV伽馬射線超額”（GeV Excess）。而且，我們至今仍未搞清楚究竟是什麼原因導致銀河系中心洩露出比預期更強的伽馬射線。
然而，隨著銀河系中心伽馬射線超額現象的曝光，一些天文學家開始提出一個有趣的假設，即這是由暗物質引起的。暗物質從根本上不與光發生任何方式的相互作用。它不僅本身不發光，也不吸收光。因此，透過常規的影像觀測和光譜觀測，無法找到任何痕跡。
但我們可以做這樣的假設：無論如何，如果暗物質是由某種未知的基本粒子構成的物質，那麼它們也應該像電子和正電子一樣，存在與之對應的反粒子。粒子與反粒子相互碰撞時，兩者的質量會完全轉化為能量，此時會釋放出巨大的能量。考慮到原子核質量中極小一部分轉化為能量的核聚變，就足以讓像太陽這樣巨大的恆星閃耀數十億年，那麼如果是不僅僅是一小部分，而是兩個粒子全部質量都轉化為能量的湮滅過程，又會釋放出多麼巨大的能量！同理，構成暗物質的基本粒子如果與對應的反暗物質粒子碰撞併發生湮滅，也能瞬間釋放出巨大的能量。
這裡需要明確的是，雖然暗物質不與現有的光發生相互作用，但在暗物質之間相互碰撞並消失的湮滅過程中，確實可以釋放巨大能量，而這些能量可以作為GeV級別的強伽馬射線被捕捉到。
事實上，考慮到經典暗物質模型下的銀河系中心密度分佈，這是一個非常有道理的推測。暗物質不受溫度、熱量或壓力的干擾，僅受引力驅動而聚集。在天文學中，這種暗物質被稱為“冷暗物質”，是迄今為止最能解釋我們宇宙的模型。根據該模型，暗物質在引力作用下聚集並形成星系暈，越靠近星系中心，密度會呈陡峭上升趨勢。這種密度分佈被稱為“納瓦羅-弗蘭克-懷特（NFW）剖面”。我們的銀河系應該也是透過這一過程形成的。因此，可以認為在銀河系中心，雖然肉眼看不見，但暗物質粒子正以極高的密度聚集在那裡。
密度越高，暗物質粒子之間碰撞的機率也越高。相應的，暗物質粒子與反粒子相互碰撞並消失的湮滅頻率也會非常高。最終，銀河系中心的伽馬射線超額來源，很可能就是因為高密度聚集的暗物質之間的湮滅。有趣的是，從費米望遠鏡捕捉到的伽馬射線超額分佈來看，它以銀河系正中心為基準，向兩側呈非常對稱的分佈。這與“暗物質團塊在銀河系中心以圓狀高密度聚集”的預測非常吻合。那麼，暗物質的存在是否已經明確了呢？並非一定如此。
在費米望遠鏡掃描銀河系中心之前的2007年，其他天文學家也提出了負面分析，認為僅憑尋找伽馬射線超額的方式，無法找到暗物質的“鐵證”。他們提出了這樣一個問題：在銀河系中心，除了超新星和黑洞外，以極短週期自轉的脈衝星，即“毫秒脈衝星”，也可能提供額外的伽馬射線來源。
原本正在自轉的恆星坍縮、體積急劇減小時，為了守恆角動量，會形成以極高速度自轉的脈衝星。特別是在像銀河系中心這種恆星密度極高、極其擁擠的區域，恆星並非孤立存在，而是經常形成雙星系統。當組成雙星的恆星中有一顆先變成脈衝星時，它會從伴星那裡搶奪物質。與此同時，脈衝星的自轉速度開始加快，從而可能演變成毫秒脈衝星。
這樣形成的毫秒脈衝星可以存活數十億年而不死。如果過去歲月裡在銀河系中心這種事屢見不鮮，那麼現在銀河系中心極有可能聚集了大量高密度的毫秒脈衝星。它們不僅發射極強的無線電波，同時也發射伽馬射線。
2007年的論文中，天文學家提出了“極易將毫秒脈衝星發出的伽馬射線誤認為是暗物質痕跡”的問題，並批評了試圖以伽馬射線超額為根據尋找銀河系中心暗物質痕跡的做法本身就是毫無意義的。關於為什麼沒有同時觀測到毫秒脈衝星應有的強烈無線電波，是可以用邏輯解釋的：因為銀河系中心充滿了高密度的氣體雲，這會導致無線電波向四面八方散射，從而增加了觀測難度。
最終，銀河系中心的伽馬射線超額現象變得既可能是暗物質造成的，也可能是毫秒脈衝星造成的，兩種解釋都說得通。隨著爭議的持續，透過費米望遠鏡捕捉到的這一過於對稱的伽馬射線超額現象，至今仍未得出明確的定論。
然而最近，對於那些期待伽馬射線超額能證明暗物質存在的天文學家來說，釋出了一項非常有希望的分析結果。這次的線索來自紅外線觀測，而非伽馬射線。當用伽馬射線觀察時，銀河系中心看起來比預期亮了近兩倍；而用紅外線觀察時，它卻看起來要暗淡得多。顯而易見，在銀河系中心及中心分子區（CMZ, Central Molecular Zone），許多恆星在爆炸時會發出各種光，被加熱的塵埃雲應該會發出強烈的紅外線。然而實際觀測顯示，銀河系正中心的紅外線探測非常微弱。導致伽馬射線過剩、伽馬射線超額的銀河系中心，這次卻呈現出紅外線不足、缺失這一新問題。
通常，存在於宇宙空間和星際物質中的氫分子以兩個相同氫原子結合的H₂形式存在。由於該結構是對稱的，分子內部的振動或旋轉不會輕易改變電偶極矩。然而，為了讓分子吸收長波紅外線，分子內部的振動或旋轉運動必須能夠使其偶極矩發生劇烈變化。不僅是氫分子，氮分子、氧分子（N₂, O₂）等對稱雙原子分子的電偶極矩變化也很微小。因此，僅憑它們通常無法產生有意義的紅外吸收。相反，由三個以上原子組成的多元分子，例如二氧化碳或水分子，它們是不對稱的。因為可能發生非對稱的振動和旋轉運動，所以能夠更高效地吸收紅外線。
為了解釋銀河系中心探測到的紅外線缺失問題，最終結論是銀河系中心必須存在由三個氫原子組成的三氫陽離子（H₃⁺）形態的分子。這是三個氫原子結合並丟失一個電子後的形態，因其結構不對稱，可以進行分子內振動和旋轉。得益於此，電偶極矩容易發生變化，從而起到非常高效的紅外吸收劑作用。事實上，該成分正是木星大氣中強烈吸收紅外線的主要分子。為了解釋銀河系中心缺失的所有紅外線，令人驚訝的結論是，銀河系中心必須存在比預期多出近100倍的H₃⁺。研究小組主張，暗物質的新證據正隱藏於此。
這項研究假設銀河系中心聚集的暗物質粒子，比最初預想的要輕一些，是具有數MeV左右質量的中等質量暗物質粒子。這種規模的暗物質粒子與反粒子相互碰撞併發生湮滅與衰變，從而產生電子和正電子。這些額外生成的電子和正電子在電離普通氫的過程中，可以生成由三個氫結合而成的H₃⁺。
總結來說，銀河系中心密集的暗物質相互碰撞產生新的電子和正電子，這些電子和正電子再次電離星際物質中的普通氫，最終形成了三個氫結合的不對稱分子。
這種電子-正電子的湮滅會同時釋放出能量剛好在511keV水平的伽馬射線。這一事實可以解釋自費米空間望遠鏡升空前很久的1970年代起就懸而未決的重要現象。很久以前，天文學家就發現銀河系中心一個非常狹小的區域內，集中探測到了能量為511keV的伽馬射線。如果接受這篇論文提出的假設，這一謎題就能自然地得到解釋。隨著證明暗物質存在的拼圖完美契合，所有問題似乎都迎刃而解，令人感到激動不已。
如果此次提出的主張屬實，那麼我們很早以前就一直注視著暗物質所展現的痕跡，卻沒能察覺到那是暗物質所為。甚至暗物質一直以宇宙中最強烈的伽馬射線這種高能光在炫耀自己的存在，我們卻視而不見。這種與光不發生任何相互作用、無法拍照、無法被探測器捕捉的幽靈般存在，竟然可能一直透過最高能的光向我們展示著它的痕跡，這聽起來具有極大的諷刺意味。
15年前，當透過費米望遠鏡首次發現伽馬射線超額現象時，我們是否太過謙虛和徹底了呢？或許是因為斷定“現在捕捉暗物質的確鑿證據還為時過早”而過於草率地放棄，轉而費盡心機地尋找像毫秒脈衝星這樣的替代方案，從而繞開了眼前顯而易見的真相，選擇了自我逃避。
參考
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.101001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001742
作者Ji Woong-bae是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人宣傳宇宙之美的夢想。目前在延世大學銀河進化研究中心及近宇宙論研究室從事透過星系相互作用進行進化的研究，並進行演講和寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧的天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。