2020-01-14 19:28:01
连接天空中的点可能会为暗物质提供新的思路

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天体物理学家已经走近了一步,以了解覆盖夜空的伽玛射线微弱发光的起源。他们发现,在包含稀疏物质的大量物质和较暗的区域中,这种光更亮。这种相关性可以帮助他们缩小异乎寻常的天体物理物体和看不见的暗物质的性质。

这种辉光被称为未解析的伽马射线背景,其来源非常微弱且遥远,以至于研究人员无法单独识别它们。但是,这些伽玛射线的产生位置与遥远宇宙中发现的质量相匹配的事实可能是识别这些源的关键难题。

“背景是许多产生伽马射线的事物的总和。能够首次测量其与引力透镜的相关性(物质分布所产生的远星系图像的微小失真)有助于我们解开它们。”来自都灵大学和意大利国家核物理研究所(INFN)的西蒙娜·阿玛扎洛索(Simone Ammazzalorso)表示,他们共同领导了这一分析。

这项研究使用了来自暗能量调查(DES)的一年数据,该数据采集了天空的光学图像,还使用了来自费米伽玛射线太空望远镜的九年数据,费米伽玛射线太空望远镜在绕地球旋转时观察宇宙伽玛射线。

能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学能源部Kavli粒子天体物理学与宇宙学研究所(KIPAC)的Panofsky研究员Daniel Gruen说:“真正令人着迷的是,我们测量的相关性并不完全符合我们的预期。领导了DES协作的分析。 “这可能意味着我们要么需要针对发射伽玛射线的物体调整现有模型,要么暗示暗物质等其他来源。”

该研究今天被接受发表在《物理评论快报》上。

天空上的两只敏感的“眼睛”

伽玛射线是最活跃的光形式,它产生于各种各样的宇宙现象中,通常是极剧烈的现象,例如爆炸的恒星,高速旋转的密集中子星,以及从活跃的星系中射出的强大粒子束,这些活跃星系的中央超大质量黑洞吞噬了物质。

另一个潜在的来源是看不见的暗物质,据信它占了宇宙所有物质的85%。当暗物质粒子在空间中相遇并相互破坏时,它可能产生伽玛射线。

费米航天器上的大面积望远镜(LAT)是伽马辐射的高度敏感的“眼睛”,其数据提供了天空中伽马射线源的详细地图。

但是,当科学家减去他们已经知道的所有来源时,他们的地图就远非空白。它仍然包含伽马射线背景,其亮度随区域的不同而变化。

格鲁恩说:“不幸的是,伽马射线没有标签可以告诉我们它们的来源。” “这就是为什么我们需要更多信息来阐明其起源。”

这就是DES的用武之地。它的570兆像素暗能量相机安装在智利Cerro Tololo美洲天文台的Victor M. Blanco 4米望远镜上,可以捕捉数亿个星系的图像。它们的确切形状告诉研究人员物质的引力是如何使宇宙中的光弯曲的,这种效应本身显示为星系图像中的微小畸变,即弱引力透镜。基于这些数据,DES研究人员创建了宇宙中迄今为止最详细的物质图。

在这项新研究中,科学家将费米图和DES图叠加了起来,这表明两者并不是独立的。在物质较多的区域中,未解析的伽马射线背景更强,而物质较少的区域中,其强度较低。

都灵Ammazzalorso的一位主管Nicolao Fornengo说:“结果本身并不令人惊讶。我们期望在包含更多物质的区域中会有更多的伽马射线产生过程,并且我们一直在预测这种关联有一段时间了。 “但是现在我们已经成功地首次真正检测到这种相关性,并且我们可以使用它来了解导致伽玛射线背景的原因。”

暗物质的潜在暗示

伽马射线辉光最可能的来源之一是非常遥远的天体-中心有超大质量黑洞的活跃星系。当黑洞吞噬周围的物质时,它们会喷射出等离子和伽马射线的高速射流,如果这些射流指向我们,它们就会被费米航天器探测到。

研究人员说,将是最简单的假设,但新数据表明,仅一群简单的危险者可能不足以解释所观察到的伽马射线与质量分布之间的相关性。

格鲁恩说:“实际上,我们的天azar排放模型可以很好地解释相关性的低能部分,但是我们看到高能伽马射线存在偏差。” “这可能意味着几件事情:这可能表明我们需要改进酒渣的模型,或者伽马射线可能来自其他来源。”

这些其他来源之一可能是暗物质。一种领先的理论预测,这种神秘物质是由弱相互作用的大颗粒(即WIMP)构成的,当它们碰撞时,它们可能会在伽马射线的闪烁中相互歼灭。因此,来自某些富物质宇宙区域的伽玛射线可能源于这些粒子的相互作用。

寻找消灭WIMP的伽马射线特征的想法并不是一个新想法。在过去的几年中,科学家们在包括银河系中心和银河系伴星系在内的许多暗物质含量高的地方搜索了它们。但是,这些搜索尚未产生可识别的暗物质信号。新结果可用于测试WIMP假设的其他搜索。

规划下一步

尽管测得的相关性只是随机效应的可能性只有千分之一左右,但是研究人员需要更多数据进行结论性分析。

KIPAC说:“这些结果首次连接了我们的伽马射线和物质图,非常有趣并且具有很大的潜力,但是目前连接仍然相对较弱,必须仔细解释数据。”导演Risa Wechsler(未参与研究)。

Gruen说,当前分析的主要限制之一是可用的镜头数据量。他说:“借助来自4000万个星系的数据,DES已经将其推向了一个新的高度,这就是为什么我们能够首先进行分析的原因。但是我们需要更好的测量,”

DES将在其下一个数据发布中提供1亿个星系的镜头数据,并且未来的大型天气观测望远镜(LSST)将在更大的天空区域中观测数十亿个星系。

“我们的研究通过实际数据证明,我们可以利用物质和伽马射线分布之间的相关性来了解导致伽马射线背景的更多原因,” Fornengo说。 “随着更多的DES数据,LSST联机以及诸如Euclid太空望远镜之类的其他项目即将出现,我们将能够对我们的潜在来源进行更深入的了解。”

然后,科学家们也许能够分辨出某些伽马射线辉光是否源于暗物质的自毁。

DES是一个国际项目,来自7个国家/地区的25个机构的400多名科学家聚集在一起进行了调查。该项目的一部分由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会资助。 NASA的费米伽马射线太空望远镜是一个国际性的多机构空间天文台。该分析使用了国际LAT合作机构公开发布的Fermi-LAT数据。

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