费米望远镜记录了银河系暗物质碰撞的第一个直接迹象

东京大学的天文学家宣布使用美国宇航局的费米太空望远镜可能首次直接探测到暗物质。研究小组发现了来自银河系中心的过量伽马射线，这可以用暗物质粒子的湮灭来解释。该研究发表在本周的《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上。

这些信号是在过滤掉观察区域中所有已知的伽马辐射源后获得的。生成的图显示了与当前宇宙学模型预测的暗物质晕相一致的分布。

该研究由 Tomonori Totani 教授领导，使用了费米大面积望远镜 15 年收集的数据。

检测是如何进行的

研究人员从伽马射线图中删除了所有已知的发射物，包括脉冲星、超新星遗迹和银盘。

剩下的是一个弥散信号，其峰值朝向银河系中心，延伸范围约为 100 度。这种模式与星系周围暗物质晕的预期分布相符。

观测信号的特征

多余的伽马射线的能量在 1 GeV 到 1 TeV 之间。强度在银河系中心最强，并随着距离的增加而逐渐减弱。该剖面遵循所谓的 NFW 分布，预测了引力塌缩形成的暗物质晕。根据团队的计算，候选粒子的质量在 30 至 70 GeV 之间。

粒子湮灭假说

这组作者认为，最可能的解释是 WIMP 类型的暗物质粒子（弱相互作用大质量粒子）的相互湮灭。当两个 WIMP 碰撞时，它们会转化为成对的高能伽马射线。

这个过程在银河晕中连续发生，那里这些粒子的密度更大。湮灭率取决于局部密度的平方，这解释了在银河系中心观察到的更强烈的辉光。

其他可能性，例如不明脉冲星或未知天体物理过程，尚未完全排除。

研究的后续步骤

科学界现在对相同的费米数据进行独立分析，以证实或反驳这一解释。正在建设中的 CTA（切伦科夫望远镜阵列）等天文台将具有更高的灵敏度来验证更高能量的信号。

如果得到证实，这一发现将成为第一个超出物理标准模型的粒子的直接证据。这些数据还能够限制暗物质候选者的质量和横截面参数。

暗物质在宇宙学中的重要性

根据普朗克卫星的测量，暗物质约占宇宙总能量密度的 27%。除了宇宙微波背景的波动之外，它的存在还可以通过星系和星团中的引力效应来推断。

尽管 Fritz Zwicky 自 20 世纪 30 年代以来就间接检测到了它，但直到本研究之前，从未通过引力以外的相互作用观察到它。

直接识别将为寻找相同粒子的地下加速器和探测器实验铺平道路。

观测技术数据

• 分析时期：2008年至2023年（费米运行15年）
• 观测区域：银经度±50度和|b|纬度 < 20 度
• 光子能量：0.3 GeV 至 1 TeV
• 过量的统计显着性：从已知来源减去后大于 10 sigma