技术前沿

不寻常的X射线为暗物质的本质提供了新的线索

这是英仙座星系团的X射线图像,离地球约2.4亿光年。由星系和星系团发出的X射线辐射仍然给天体物理学家带来了无数困惑。特别是,它可能为神秘的暗物质的性质提供线索。 NASA

暗物质越来越令人费解。在世界各地,物理学家几十年来一直试图确定这些物质粒子的性质,这些粒子不发光,因此对人眼不可见。他们的存在是在20世纪30年代假定解释某些天文观测。作为可见的物质,就像构成恒星和地球的物质一样,只占宇宙的5%,因此暗示暗物质必须占其中23%。但是迄今为止,尽管进行了深入的研究,事实证明不可能真正确定所涉及的颗粒。约翰内斯古腾堡大学美因茨研究人员(JGU)现在提出了一种新的暗物质理论,暗示暗物质粒子可能与通常所假设的非常不同。特别是,他们的理论涉及的暗物质粒子非常轻 - 几乎比电子轻100倍,与许多涉及非常重的暗物质粒子的传统模型形成鲜明对比。

根据一般理论,暗物质必须存在,因为否则恒星不会像他们事实上那样继续围绕它们星系的中心旋转。所谓特别受欢迎的暗物质候选物是所谓的弱相互作用的大质量粒子或WIMP。例如,研究人员正在意大利的Gran Sasso地下实验室中进行搜索。但是最近在astroparticle物理学领域的科学出版物越来越多地认为WIMP在暗物质方面不太可能成为可行的前景。 “我们也正在积极寻找可能的替代方案,”美因茨大学的约阿希姆科普教授说。

物理学家和他的同事Vedran Brdar,Jia Liu和Xiao-Ping Want仔细研究了几个独立小组在2014年进行的观察结果。这些小组报告了以前未检测到的谱线的存在,能量3.5千电子伏(keV),来自遥远星系和星系团的X射线光。这种不寻常的X射线辐射可能提供暗物质性质的线索。先前已经指出,暗物质颗粒可能衰减,从而发射X射线。然而,Joachim Kopp在位于美因茨的精密物理,基础相互作用和物质结构集群(PRISMA)的团队正在采取另一种方法。

由暗物质湮灭产生的X射线辐射

PRISMA研究人员提出了一种情景,其中两个暗物质粒子相互碰撞,导致它们相互湮灭。这与发生的情况类似,例如,当电子遇到其反粒子即正电子时。 “长久以来,人们一直认为,如果它是由粒子发出光线,就不可能观察到暗物质的湮灭,”科普说。 “我们已经对我们的新模型进行了仔细研究,并将其与实验数据进行了比较,并且它们的结合性比旧模型更好。”

根据柯普的模型,暗物质粒子将是质量仅为几千电子伏特的费米子,通常称为不育中微子。这种轻量级的暗物质通常被认为是有问题的,因为它很难解释星系是如何形成的。 “到目前为止,我们已经能够处理这些问题,”科普解释说。 “我们的模型提供了一个很好的解决方案。”假设暗物质的湮灭是一个两步过程,在这种情况下至关重要:在过程的最初阶段,形成一个中间状态,后者分解成观察到的X射线光子。 “我们计算的结果表明,由此产生的X射线特征与观察结果密切相关,因此为这些观察提供了新的解释,”Kopp补充道。

与此同时,新模型本身非常普遍,即使事实证明2014年发现的谱线具有不同的起源,它也将为寻找暗物质提供一个有趣的起点。 JGU的理论和实验物理学家目前正在研究拟议的ESA任务e-ASTROGRAM,目的是分析以前未达到的精确度的天体物理学X射线辐射。

出版物:Vedran Brdar等人,“来自keV量表的黑暗物质湮灭的X射线线”,Physical Review Letters,2018; DOI:10.1103 / PhysRevLett.120.061301

来源:约翰内斯古腾堡大学美因茨教授Joachim Kopp教授