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我们看见暗物质了吗?
来源:返朴 | 作者:钟益鸣 | 2024/6/7 10:53:53 | 浏览:737 | 评论:0

关于暗物质的研究,当今可以说是一个百花齐放、百家争鸣的时代。即使物理学家还不能确定它究竟是什么,但以往的观测以及标准宇宙学模型理论,都表明需要它的存在。果真如此吗?本文将介绍重要的暗物质观测信号,其中关于银河系中心过量伽马射线(GCE)起源的解释,学界分成了两派——学术对决,正酣之际。而关于是否看见了暗物质,你将会自己得到答案。


2023年6月,美国新泽西州罗格斯大学。会议进行到了最后一天的中午,天色一下子从晴朗变成昏黄,好似沙尘暴来了。“怎么回事?"“还不是加拿大的山火。”我看着窗外,心想,要是身边还带着 N95 口罩就好了。窗外的天色黯淡,仿佛会场内的气氛。


这天下午,会议组织者丹尼·胡珀(Daniel Hooper)本想总结“银河系中心过量伽马射线(Galactic Center Gamma-Ray Excess,简称 GCE)现状”研讨会的各个报告,然后形成一份共同文件,再由与会者一起签署。胡珀负责现场编辑,其他人在一旁评论。可胡珀的每一句话都会带来漫长的争议。“抱歉,我要赶去机场了”,与会者们一个个地离开。最终,这场研讨会并未形成共同文件。


为什么人们会不欢而散呢?为什么一群意见相左的人又愿意聚在一起呢?“银河系中心过量伽马射线”,这个抽象的名字背后是一个重要的物理问题——我们是否已经“看见”了暗物质。


我们看见暗物质了吗?

银河系图像,紫色区域标记银河系中心过量伽马射线(GCE)相关区域。图像来源:NASA Goddard; Mellinger, CMU; Linden, Univ. of Chicago


暗物质研究,噩梦时代还是黄金年代?


很多人认为,物理学是研究物质的科学。如果真是如此,现实多少有些讽刺。自上世纪 30 年代以来,不断出现的天文学和宇宙学观测证据(包括宇宙微波背景辐射、大尺度结构、大爆炸核合成、子弹星系团的引力透镜效应、星系旋转曲线、旋转星系的稳定存在,星系团的稳定存在[1])表明,我们已知的物质仅占宇宙物质总量的 15%。那么,剩余约 85% 的物质又是什么呢?


我们所知不多,只知道它们和我们之间存在引力,运动的速度不该太快,不会发光,也不会吸收光。因为在茫茫宇宙中黯淡无光,所以瑞士天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky,据说他和列宁做过邻居;二战期间,兹维基从事火箭研究,曾和钱学森同去德国占领区调查火箭技术[2])将这样的物质称作“暗物质”。不幸的是,“暗”这个字有“黑”的意思,所以很多人将它同黑洞混淆。“暗”也有“恶”的意思。一部刘烨主演的以“卢刚事件”为原型的电影就取名《暗物质》,尽管卢刚本人研究的是星际间可见物质的运动。这样看来,天生反骨的兹维基真是起了个糟糕的名字。


然而,知道暗物质的存在并不等于了解暗物质的本质,这就像 19 世纪初,道尔顿(John Dalton)提出原子论的时候,我们不能说当时的人们已经了解了原子。了解事物的本质需要一个过程,暗物质也是如此。我们尚不知道暗物质的质量、自旋,它是否会衰变,是否会和自身相互作用,它的行为到底更像一个个的原子,还是麦克斯韦笔下的电磁波,还是微型黑洞……


其中大家最想知道的一点是,暗物质和已知物质之间是否存在引力之外的相互作用。从理论角度来看,如果存在这样的联结,在我们搞清楚暗物质之后,还能以它为跳板,进一步挖掘统一已知物质和暗物质的更深层次理论。从实践角度来看,正是因为相信这种作用一定存在,人们才会不断提出形形色色的暗物质探测方案:在宇宙射线无法穿透的地下实验室“等待”暗物质,用对撞机或加速器“撞出”暗物质,又或是利用望远镜捕捉暗物质“消失”时产生的余晖。


当然,宇宙可能是残酷的,暗物质和我们之间的相互作用,完全可能只有引力作用,没有其他作用。这一点在理论上完全说得通。可如果真的是这样,因为引力作用太过微弱,我们很难通过它获得暗物质的更多信息。许多物理学家将这种情况称为“噩梦场景”。


可毕竟,“不经过战斗的舍弃是虚伪的”,现在就谈噩梦场景多少有些杞人忧天。现实其实是玫瑰色的,我们正处于暗物质“百花齐放”的年代:在上下 90个数量级的质量尺度上,都有颇具吸引力的暗物质候选模型,其中许多模型预言暗物质与已知物质存在着引力之外的作用。这些作用尽管微弱,但仍然可以被当下或近期的技术手段探索。在这样一个时代,摆在各大科研赞助机构,许多暗物质实验家和天文学家面前的,其实是一个幸福的烦恼。“这么多可能性,到底要研究哪一个?”美国能源部十年规划暗物质研究报告[3]干脆提出了一个新口号:我们要“深挖、广搜”(Delve Deep,Search Wide)。


无论是从打破“噩梦场景”的角度出发,抑或是从缩小暗物质搜索范围的功利角度出发,我们需要一些暗物质和已知物质(非引力)相互作用的切实证据。由于暗物质和已知物质之间的作用极其微弱,往往被已知物质间相互作用所形成的“背景”淹没,所以发现这样的证据极具挑战,也因而非常罕见。尽管如此,过去20年间,还是出现了好几个值得被关注的暗物质可能信号,以下着重介绍三个。


奇怪的信号不存在?


第一个信号发现于大约 25 年前。位于意大利格兰萨索(Gran Sasso)地下实验室的 DAMA/LIBRA 实验组发现他们的暗物质直接探测器中存在着奇怪的信号[4]。简单来说,直接探测指的是实验家耐心等待暗物质与探测器粒子间发生微弱的碰撞,进而产生光、声、电等信号。一次这样的过程,我们称之为一个“事件”。标准宇宙学模型预言,暗物质会因为引力作用聚在一起,浓处愈浓,而稀处愈稀。最终,富集了大量暗物质的地方会形成名为“暗物质晕”的结构。这些暗物质晕再不断富集已知物质,并最终诞生出包括银河系在内的星系结构。所以,对生活在银河系中的我们来说,我们也同时生活在暗物质晕中。由于地球绕着太阳公转,地球上的暗物质探测器相对暗物质晕的速度也会随着时间变化。变化的周期为一年。相对运动速度的变化最终会导致探测到的事件率的变化,其周期同样为一年。DAMA/LIBRA 实验发现的正是这样一个周年信号,事件率在每年的6月2日达到顶峰,在12月2日降至谷底。从实验结果可以进一步推断,暗物质的质量约为质子质量的 10 倍,和已知物质的作用强度和弱相互作用差不多一个量级。


当然,这样一个重大的发现自然会遭遇人们苛刻的审视。实验指出的参数空间已被大量基于其他探测技术的直接探测实验排除了一遍又一遍。实验组对背景的分析方法也饱受争议。更为致命的是,两个采用同样探测技术的重复实验——位于韩国阳江地下实验室的 COSINE 实验[5]和位于西班牙坎弗兰克(Canfranc)地下实验室的 ANAIS 实验[6]——都没有发现 DAMA/LIBRA 实验所宣称的周年信号。这大大打击了人们对该实验结果的信心。


第二个信号发现于 10 年前。两个独立的研究团队分别对星系团和 M31 星系的 X 光谱进行了分析[7, 8]。在这些光谱信息中,两个团队意外地发现了同一条极窄的谱线,其能量约为3500电子伏,对应的波长约为0.35纳米。没有任何已知的原子物理过程可以产生这条谱线。自牛顿用棱镜把白光分成七色开始,光谱学便成为物理学和天文学的重要研究手段。正是从太阳光谱的一条黄色谱线中,英国天文学家洛克耶(Norman Lockyer)发现了氦元素的存在。现在,这条 3500 电子伏的新谱线又会带给我们什么发现呢?有些人认为这条线是星系周围的暗物质晕衰变后的产物。一般说来,暗物质必须自身稳定,才能为宇宙中各种结构的生成提供稳定的环境。可是,如果暗物质和已知物质间有些微弱作用的话,那么暗物质晕中的一小撮暗物质就有可能在有限时间内衰变成已知物质,进而产生光信号。尽管对单个粒子来说,发生衰变的可能性微乎其微。但暗物质晕中富集了数量庞大的暗物质粒子(其数量远远超过阿伏伽德罗常数),这使得“看见”暗物质衰变成为可能。


和 DAMA/LIBRA 的发现类似,有相当一部分人觉得 3500 电子伏谱线另有起源——可能来自星系本身尚未被完全理解的原子跃迁过程。更有新近的研究[9]指出,所谓谱线其实是错误拟合背景的结果,根本就不存在。如果所言非虚,整件事就颇有点像“金星生命事件”[10]。


第三个信号便是本次罗格斯会议的主角——“银河系中心过量伽马射线”。它发现于 15 年前,介于上述两个发现之间。2008 年,美国国家航空航天局(NASA)的费米伽马射线空间望远镜升空。和普通的望远镜不同,这架以大物理学家费米(Enrico Fermi)命名的空间望远镜不含任何透镜,它更像一台从对撞机里拆出来的探测器。费米望远镜通过轨迹探测器获取入射光子的动量,再通过能量器获得光子的能量。这样的配置使得费米望远镜能够绘制伽马射线下最为精确的天图。升空运行以来,直至今日,费米望远镜依然在地球轨道上兢兢业业地工作,带给人们一系列的重大发现。其中最为瞩目的,当属 2010 年发现的“费米气泡”(Fermi bubbles),即银河系盘南北两个方向存在的巨型泡状结构[11]。值得注意的是,费米气泡的发现者并非费米合作组成员,而是哈佛大学的道格拉斯·芬克拜纳(Douglas Finkbeiner)和他当时的两个博士生,苏萌(现为起源太空公司首席执行官)和特蕾西·丝拉蒂尔(Tracy Slatyer,现为麻省理工学院教授)。


为什么费米望远镜的重大发现会被外人捷足先登呢?背后的原因可以追溯到白宫的一项科技政策,即保证公众可以“自由、即时、平等地获取政府资助的科硏成果”(Ensure Free, Immediate, and Equitable Access to Federally Funded Research)。隶属NASA的费米望远镜合作组是这一政策的忠实执行者。自 2009 年起,他们会在几天内把望远镜获得的数据公布在官方网站上。同时,合作组还把一套完整的数据分析工具发布在网站上,供研究者自由使用。正是这些公开的数据和工具,帮助合作组之外的研究者做出许多重要的发现。尽管对合作组的成员来说,这样的政策多少有些“为人做嫁衣”的不公平,但从长远来看,它是互利的、双赢的。因为公开且可检验,科学界对费米望远镜采集到的数据报以高度的信任。而科学界的一系列发现又为望远镜带来了巨大的声誉及良好的口碑。


和费米气泡一样,银心过量伽马射线(GCE)也是由合作组之外的研究者——胡珀和丽莎·古迪纳夫(Lisa Goodenough)——发现的。胡珀出生于美国中部的明尼苏达州,家族经营牦牛场,其中的一头长出了世界上最长的牦牛角。胡珀弹的一手好吉他,工作之余,他在多个乐队担任吉他手,经常在芝加哥的酒吧演出。2009年8月,胡珀在费米国家实验室(和费米望远镜没有隶属关系)当上研究员不久,他和来访问的纽约大学研究生古迪纳夫(现为费米国家实验室研究员)打算一探刚刚公开的费米数据。在一层又一层的已知伽马射线背景之下,他们发现在银河系中心出发10°范围内,出现了许多预期之外的伽马射线光子。从能量谱上看,这些光子在 10 亿电子伏能量集中出现。具体来说,光子的能量谱在 10 亿电子伏以下上升,10 亿至 50 亿电子伏区间达到顶峰,100 亿电子伏以上极速下降。而对普通的天体物理过程来说,其能量谱一般应该是单调变化的。从空间分布来看,这些光子在银心最为集中,随着到中心距离的增加而逐渐变少。


这是一个不同寻常的发现。和此前及此后的许多发现一样,人们开始是抗拒和怀疑的,“分析用的背景模版是不是太过简单了?是不是某些仪器效应造成的?”其中最为致命的打击莫过是一位论文评审人的意见,“我是费米合作组的成员,我们看过同样的数据,并没有发现这些过量光子。”一轮轮同行评审带来的质疑是煎熬的,胡珀放弃了论文的发表。这篇最早提出 GCE 的论文,只存在于预印本网站 arXiv 上[12]。然而,此后许多独立课题组反复检验了费米数据。它们都肯定了 GCE 的存在。终于,在 2015 年,费米望远镜合作组也发表了自己的文章[13],官方确认了这些过量伽马射线的存在。既然 GCE 的存在确凿无疑,那么我们就进入了下一个问题,这些过量光子到底是从哪里来的呢?


正反暗物质湮灭vs.毫秒脉冲星集群


银河系中心复杂而充满魅力,星体、气体、尘埃、超大质量黑洞在银心风云际会。人们容易忽略的是,因为银心的引力势井至深,那里也是聚集暗物质最多的地方。又因为离太阳系不算很远,银心其实是我们最容易“看到”暗物质的地方。GCE 来源的一种解释正是暗物质湮灭,这也是令胡珀和其他科学家感到兴奋的原因。当正反暗物质在银心相遇,它们可能湮灭出一对已知粒子,这些已知粒子再间接辐射出 10 亿电子伏能量的光子。如果这幅图景真的正确,我们就完成了暗物质研究的“帽子戏法”。


首先,我们证实暗物质和已知物质之间确实存在引力之外的作用。其次,通过仔细研究能量谱,我们能推出暗物质究竟和哪些已知粒子作用,作用的强度如何,而暗物质的质量又如何。不少物理学家戏称这些能解释GCE 的暗物质粒子为“胡珀子”。第三,人们发现在热冻结(Thermal Freeze-out)理论下,胡珀子可能的参数区间恰恰能解释宇宙中暗物质的丰度。热冻结理论是一套相当理想的暗物质产生机制:假设宇宙早期非常炙热,暗物质湮灭成已知粒子,已知粒子也可以湮灭成暗物质,二者处于热平衡状态。随着宇宙的膨胀,两类粒子的密度发生变化,运动速度也发生变化。反应先是由双向变成单向,再由单向变成完全切断。最后留下的暗物质总量便是我们今天应当看到的暗物质总量。


然而,暗物质湮灭说并不是 GCE 起源的唯一答案。另一个同样颇具说服力的猜测是 GCE 起源于银心的毫秒脉冲星(Millisecond Pulsar,简称 MSP)集群。当年迈的恒星燃尽了所有的核燃料,再没有什么力量可以抵抗其自身的引力,它便会坍缩。伴随着绚丽的超新星爆发,恒星走向了死亡。当恒星质量是太阳质量的 10 至 30 倍时,恒星死亡之后的“舍利”将会是宇宙中密度最大的星体——中子星。(想要理解它的密度,想象一下把一架大型民航客机的质量塞进一粒沙子里。)在恒星坍缩的过程中,星体的角速度会急速增加,这有些类似花滑运动员收紧身体时,转速会加快。假设我们的太阳坍缩成中子星的话(实际不会发生),其自转周期便不再是 25 天,而要以毫秒计算了。这些快速旋转的中子星,便是脉冲星。脉冲星是上世纪 60年代的四大天文学发现之一。迄今为止,人类已经在银河系内发现了上千颗脉冲星。极端的环境让脉冲星具备特别强的磁场。脉冲星附近的粒子,经过其强磁场的加速,将产生能量很高的光子,而这些光子随着星体的旋转朝某些方向周期性地送出。脉冲星们就像茫茫宇宙中闪耀着的灯塔。


脉冲星按其旋转周期,大致分为两类:以秒为周期旋转的普通脉冲星和以毫秒为周期旋转的毫秒脉冲星。其中,人们通过对已知的(非银心)毫秒脉冲星的观测,发现其能量谱和GCE一致[14, 15]。尽管因为分辨率的限制,包括费米在内的望远镜还没有办法解析银河系中心单颗的毫秒脉冲星。但我们有理由相信,银心存在着大量的毫秒脉冲星,而费米望远镜看到的 GCE 正是这个集合体一起发出的光子。尽管毫秒脉冲星集群说会令粒子物理学家大失所望,但发现一类尚未发现的星体对于天体物理学家依然充满了吸引力。对它们的研究或许能告诉我们银心毫秒脉冲星的形成机制,以及更多银河系过去的故事。


我们看见暗物质了吗?

正反暗物质湮灭vs. 银心毫秒脉冲星集群,究竟哪个才是GCE真正的起源?


暗物质湮灭说,毫秒脉冲星集群说,二者所描述的情形都有可能在银心发生,也都给出了 GCE 正确的能量谱。那么,到底哪个理论才是 GCE 真正的起源呢?自2014-2015 年起,两种起源论开展了一场旷日持久、至今仍在继续的辩论。人们主要从 GCE 的以下两个特征入手,分析其起源:


1. 小尺度上的光子统计特征。一般来说,人们认为暗物质晕中的暗物质具有平滑的空间分布。当把观测范围缩小到小尺度时(小于 1°),这样的平滑分布也不会发生什么改变。其产生的光子会继承暗物质“平滑”的分布。而对毫秒脉冲星集群来说,在小尺度上,星体的分布会比较随机,呈现“团簇性”(Clumpy),而这个集群发出的光子会继承团簇性,相对的“不平滑”。


2. GCE 的空间形状。一般认为,暗物质晕在银心附近,以银心为原点,呈球形分布。(或因为被已知物质的引力吸引,呈稍扁的球形分布。)而毫秒脉冲星集群,将追踪别的银心星体的分布,它们的空间分布将呈现更加不规则的盒型核球(Boxy Bulge)分布。既然 GCE 源于这两种可能,其空间形状分布也将继承各自的特征。


如果一切顺利,判断出 GCE 的这两个性质后,我们将有足够的证据,断定GCE 的起源。


胜负已分?


2019年到来之前,人们觉得这两个性质已经被分析清楚了——毫秒脉冲星集群说大获全胜,暗物质湮灭说进入寒冬。


第一场“胜利”来自光子统计。2016 年,一个美国团队证明 GCE 的光子分布偏离了“泊松分布”[16]。日常生活中,泊松分布常被用来描述特定范围内离散随机事件的分布。比如说,一天内,奶茶店卖的奶茶数。再比如说放射源周围,单位时间内盖革计数器响的次数。回到GCE,假设其来自暗物质湮灭,那么银心每个像素内的光子数都是(暗物质湮灭所产生光子)期望值的泊松分布。但对毫秒脉冲星来说,情况有些复杂。由于费米望远镜分辨率有限,不能解析银心单颗的脉冲星,所以银心每个像素点内,可能存在着数目不定的脉冲星。尽管单颗脉冲星发出的光子仍为(单颗脉冲星产生光子)期望值的泊松分布,但由于每个像素内的脉冲星颗数又是预期颗数的泊松分布,这样一来,每个像素内的总光子数就是泊松分布的泊松分布,呈现出非泊松性。美国团队使用非泊松性模版拟合法(Non-Possionian Template Fitting)发现,GCE 在小尺度上的光子数分布,压倒性地显现“非泊松性”。这无疑是对暗物质湮灭说的当头棒喝。


同一时期,一个荷兰团队用一种完全不同的统计方法——小波分析——发现GCE 的小尺度光子数分布支持毫秒脉冲星集群说[17]。小波是一种用途广泛的数据和图像处理方法。通过卷积银心图像和匹配点源的小波波形,荷兰团队发现银心存在大量的“峰”,即几个像素大小的大幅度光子涨落。通过对比峰的位置和已知点源的位置,荷兰团队推测,这些峰并非来自已知的点源(点源包括年轻脉冲星、超新星遗迹、耀变体等等),也不该来自平滑分布的暗物质,只可能来自一群较为黯淡(亮度低于费米望远镜点源观测阈值)的毫秒脉冲星。


两种不同的统计方法指向同一个结论,这重创了暗物质湮灭说。在空间形状方面,湮灭说的表现也不尽人意,一个美国—新西兰—澳大利亚—德国团队和一个荷兰—法国团队的研究指出,GCE 在空间上呈现盒型分布[18-20]。


然而,到了 2019 年,事情起了变化。麻省理工学院的博士后丽贝卡·莉恩(Rebecca Leane,现为 SLAC 国家实验室研究员)和丝拉蒂尔组队,重新研究了此前人们使用的判断非泊松性的方法(即非泊松性模版拟合法)。她们发现这套方法在判断暗物质的存在与否时,带有系统性偏见,总是倾向于压低暗物质的存在,论文最初有个星球大战式的标题《银心暗物质反击战》(“Dark Matter Strikes Back at the Galactic Center”,当然正式发表时换了个更严肃的标题)[21]。这一发现,立即引发了和此前美国团队成员的辩论[22-24]。几经反复后,人们达成的共识是,非泊松性模版拟合法的有效性取决于背景模版的精确与否。对一些常用的背景模版来说,GCE不平滑的证据并不充足。


2018 年秋天,我在德国电子同步加速中心(DESY)参加理论物理研讨会的时候,听到了莉恩对研究进展的报告,开始对 GCE 感兴趣。之后,又有幸和丝拉蒂尔的弟子、加州大学伯克利分校的博士后尼古拉斯·罗德(Nicolas Rodd,现为劳伦斯伯克利国家实验室研究员)进行了交流。(无独有偶,丝拉蒂尔、莉恩和罗德都是澳洲人。这是否和澳洲人可以欣赏到北半球看不见的银心有关呢?)。既然非泊松性分析需要回炉,那么小波分析的结果是否也需要重新审视呢?这时正好有一个不错的研究契机:随着探测年限的增加,费米望远镜的曝光度不断积累,观测阈值下降,开始能看到原先看不到的暗淡点源。2019年,费米合作组发布了第四代点源数据集(4FGL),其中包含的点源较前一代数据集(2016 年荷兰团队研究中使用)大大增加。这些新的点源数据会给 GCE 的研究带来什么变化吗?


我和奥克兰大学的伊利亚斯·乔利斯(Ilias Cholis),费米国家实验室的萨姆·麦克德莫特(Sam McDermott)和帕特里克·J·福克斯(Patrick J. Fox)一起重访了小波研究[25]。我们发现,小波法探测到的大部分“峰”和 4FGL 的点源高度重合。峰产自毫秒脉冲星集群的可能性较此前的研究发生了180度的转变。倘若银心毫秒脉冲星的亮度分布遵循单一幂次分布,那么银心需要数目庞大的毫秒脉冲星,至少要有数百万颗,才能产生GCE的能量谱。数百万颗毫秒脉冲星聚集在银心,这大大超出了人们的预期。其他研究表明[26],只有当银心毫秒脉冲星的亮度分布存在特别的特征(即其亮度分布集中于望远镜点源观测阈值附近)时,才可能用合理数量的脉冲星解释GCE。


我们看见暗物质了吗?
小波变换后的银河系中心图像。小波法发现的“峰”(黄色十字)和已知的点源高度重合(红色圆圈)。图片来源:Zhong, McDermott, Cholis, and Fox, Phys. Rev. Lett. 124(2020)


在另一篇论文中,我和合作者重新制作了银河系弥散光背景模版[27]。对许多GCE 研究来说,背景模版的好坏会在很大程度上影响对 GCE 性质的分析,因而相当重要。大部分背景光子由宇宙射线和银河系的环境作用产生,所以宇宙射线模型的准确与否会影响背景模版的质量。利用阿尔法磁谱仪对宇宙射线的观测数据,乔利斯提出了若干个符合观测数据的 GALPROP 宇宙射线模型,并进一步构造并筛选出 80 套有代表性的银河系弥散光背景模版。基于这 80 套建立在观测数据基础上的模版,我们重访了 GCE 的可能形状。我们发现,对那些和费米数据符合的较好的背景模版来说,分析所得的GCE 压倒性的偏好球型分布。其他独立研究[28]也得到和我们类似的结论。


我们的结果和此前提到的多国团队的结果恰好相反[20, 29]。他们的研究显示,GCE 更偏好盒型分布。两组研究的区别在哪里呢?背景模版。多国团队使用了一套基于流体动力学、具有 16 种组分的背景模版,这套模版不同于我们研究中使用的 80 套背景模版中的任何一套。那么,到底该用哪套(或哪几套)背景模版呢?答案当然取决于模版和观测数据的匹配程度。在和多国团队的交流过程中,我们发现,如果假定 GCE 确实存在,那么我们最佳的背景模版的拟合结果优于对方团队的模版。只有假定 GCE 不存在时,对方团队的背景模版的拟合结果才优于我们的模版[30]。于是,我们又绕回了原来的问题,到底该用哪套或哪几套背景模版呢?


除了背景模版的争论,另一个争论点来自一个新近提出的 GCE 空间分布模版。基于 VISTA 银河变星巡天(VISTA Variables Via Lactea)的结果,科学家们于 2019 年发布了银心红团簇星的分布[31]。一个新西兰—日本—荷兰团队[32]认为银心毫秒脉冲星的空间分布应当追踪红团簇星的空间分布。他们将红团簇星分布去卷积后,获得了一个新的 GCE 可能的空间分布模版,它看着像一个横放着的“花生”。该团队同时指出这个横放的花生形状能更好的描述 GCE 的空间分布。我和乔利斯在罗格斯会议前后对这个新的 GCE 模版也进行了研究。我们发现对于我们的 80 套背景模版来说,一些拟合较好的模版偏好花生型的GCE,另有一些拟合的不错的模版偏好球型的 GCE,GCE 的形状并没有定论[33]。所以,GCE到底是什么形状的呢?再退一步,假设它的形状确实是花生型的,这是否就能说明GCE必然来自毫秒脉冲星呢?


我们看见暗物质了吗?

GCE可能的空间分布。左侧为球型分布,右侧为文献[32]提出的花生型分布。图片来源:Zhong and Cholis, arXiv:2401.02481。


以上问题,以及更多的问题,都在罗格斯会议上提出并被争论。这自然是一件好事。因为每一个争论本身,都会激发一个理解GCE的新思路,而真理总是越辩越明。可惜的是,在许多技术细节还没有厘清,人们对事实还莫衷一是的情况下,签署共同文件的议程反而磨损了与会者们模糊的默契。这是此次会议美中不足之处。


读到这里,你大概对GCE的起源有了自己的看法,或许对本文的标题也有了答案。关于 GCE起源的辩论,已经持续了十年,经历了不少曲折和反复。但由于发现的意义重大,这场辩论的热度不减。探索仍在继续。不断涌现的新的观测数据,包括其它波段、其他信道的观测,特别是对矮椭球星系的观测,为GCE的研究注入新的活力。而新的统计方法(包括机器学习),更好的背景模版、对暗物质的新理解、对毫秒脉冲星的更深认识,又为这一领域带来了新的思考和想象。GCE 研究的未来,注定不会缺少新的辩论和争议。可是,它的前景依然光明:因为,还有人愿意踏足这片“是非之地”,开始新的探索;还有人好奇,在地球以外两万六千光年以外的地方,究竟是什么在闪耀。

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