新形式的暗物质或可解释银河系的核心之谜

长期以来，天文学家一直对银河系中心的两种奇怪现象感到困惑。首先，中心分子区 （CMZ） 中的气体，这是银河系核心附近一个密集而混乱的区域，似乎被电离了（意味着它带电，因为它失去了电子）以惊人的高速率。

其次，望远镜探测到一种神秘的伽马射线光芒，其能量为511 千伏特（千）（对应于静止电子的能量）。

有趣的是，当电子及其反物质对应物（所有基本带电粒子都有几乎相同但电荷相反的反物质版本），正电子在一闪而过的光芒中碰撞并湮灭。

尽管进行了数十年的观察，但这两种影响的原因仍不清楚。

但在一项发表在物理评论信，我们表明两者都可能与宇宙中最难以捉摸的成分之一有关：暗物质.特别是，我们提出一种新形式的暗物质，其质量小于天文学家通常寻找的类型，可能是罪魁祸首。

隐藏进程

The CMZ跨越近 700 光年并包含银河系中一些最致密的分子气体。多年来，科学家们发现这个区域异常电离，这意味着那里的氢分子以比预期快得多的速度分裂成带电粒子（电子和原子核）。

这可能是宇宙射线和星光等来源轰击气体的结果。然而，仅凭这些似乎并不能解释观察到的水平。

另一个谜团，511keV 排放，首次被观察到在 1970 年代，但仍然没有明确的来源。几个候选人已被提议，包括超新星、大质量恒星、黑洞和中子星。然而，没有一个能完全解释喷发的模式或强度。

我们提出了一个简单的问题：这两种现象都是由同一个隐藏过程引起的吗？

暗物质约占 85%宇宙中的物质，但它不发射或吸收光。虽然它的引力效应很清楚，但科学家们还不知道它是由什么组成的。

一种经常被忽视的可能性是，暗物质粒子可能非常轻，质量只有几百万电子伏特，比质子轻得多，并且仍然发挥着宇宙的作用。这些轻暗物质候选者通常称为 sub-GeV（千兆电子伏特）暗物质粒子。

这种暗物质粒子可能会与它们的反粒子相互作用。在我们的工作中，我们研究了如果这些轻暗物质粒子与银河系中心自己的反粒子接触并相互湮灭，产生电子和正电子会发生什么。

在 CMZ 的稠密气体中，这些低能粒子会迅速失去能量，并通过敲掉电子非常有效地电离周围的氢分子。由于该区域非常密集，因此粒子不会传播很远。相反，它们会将大部分能量沉积在本地，这与观察到的电离曲线非常吻合。

通过详细的模拟，我们发现这个简单的过程，即暗物质粒子湮灭成电子和正电子，可以自然地解释在 CMZ 中观察到的电离率。

更好的是，暗物质所需的特性，例如其质量和相互作用强度，与早期宇宙的任何已知约束并不冲突。这种暗物质似乎是一个严肃的选择。

正电子之谜

如果暗物质在 CMZ 中产生正电子，这些粒子最终会减慢速度并最终与环境中的电子一起湮灭，产生能量正好为 511keV 的伽马射线。这将提供电离和神秘辉光之间的直接联系。

我们发现，虽然暗物质可以解释电离，但它也可能能够复制一定量的 511keV 辐射。这一惊人的发现表明，这两个信号可能来自同一个来源，即轻暗物质。

511keV 线的确切亮度取决于几个因素，包括正电子与电子形成束缚态的效率以及它们的确切湮灭位置。这些细节仍然不确定。

测试无形事物的新方法

无论 511keV 发射和 CMZ 电离是否共享一个共同的来源，CMZ 中的电离率正在成为研究暗物质的有价值的新观测结果。特别是，它提供了一种测试涉及浅暗物质粒子的模型的方法，而这些模型很难使用传统的实验室实验来检测。

在我们的研究，我们表明暗物质的预测电离曲线在整个 CMZ 上非常平坦。这很重要，因为观察到的电离确实分布得相对均匀。

点源（如黑洞位于银河系中心或宇宙射线源，如超新星（爆炸的恒星）无法轻易解释这一点。但是平滑分布的暗物质晕可以。

我们的研究结果表明，银河系的中心可能为暗物质的基本性质提供新的线索。

未来具有更好分辨率的望远镜将能够提供有关 511 keV 线与 CMZ 电离速率之间的空间分布和关系的更多信息。同时，对 CMZ 的持续观测可能有助于排除或加强暗物质的解释。

无论哪种方式，这些来自银河系中心的奇怪信号都在提醒我们，宇宙仍然充满了惊喜。有时，向内看，我们自己银河系充满活力、发光的中心，会揭示出最意想不到的暗示，即更远处的东西。

夏姆·巴拉吉， 物理学博士后研究员，伦敦国王学院

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