圖為英仙座星系團的合成圖像,，數(shù)據(jù)來源于NASA錢德拉X射線天文臺,，歐洲空間局XMM-牛頓衛(wèi)星和“瞳”衛(wèi)星——日本航天局領(lǐng)導(dǎo)的X射線望遠鏡。

Credits: X-ray: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais et al.; NRAO/AUI/NSF Optical: NASA, SDSS

對從英仙座星系團獲得的X射線數(shù)據(jù)進行一種全新的解讀,，或許可以幫助科學(xué)家們解答他們鉆研了幾十年的問題：暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么,。

這一發(fā)現(xiàn)涉及到對一些X射線望遠鏡所做出的一系列結(jié)果的全新解釋；這些望遠鏡包括NASA錢德拉X射線天文臺,，歐洲空間局XMM-牛頓衛(wèi)星和日本航天局X射線望遠鏡“瞳”,。如果該理論在未來的觀測中得到證實，將是人類在理解暗物質(zhì)方面邁出的一大步,。暗物質(zhì)神秘而不可見,，在宇宙中占物質(zhì)總量的85%。

來自牛津大學(xué),、領(lǐng)導(dǎo)這次新研究的約瑟夫·康倫（Joseph Conlon）說：“我們預(yù)計這個結(jié)果要么非常重要,，要么是一場空歡喜。當(dāng)你在尋找一個最大的科學(xué)問題的答案時,，我認為折中點是不存在的,。”

這個故事開始于2014年,，位于麻省的哈佛史密松天體物理中心的埃斯拉·布爾布爾（Esra Bulbul）領(lǐng)銜的一個研究團隊使用錢德拉望遠鏡與XMM-牛頓望遠鏡在英仙星系團的熾熱氣體中觀測到一個特定能量的輻射峰,。

這個“尖峰”，或者稱為發(fā)射線,，在能譜上位于3.5 keV（千電子伏特）能量處,。這條3.5千電子伏特發(fā)射線的強度，很難用先前已觀測到或者預(yù)測的天體特征進行解釋,，這指示它可能起源于暗物質(zhì),。 在一項使用XMM-牛頓望遠鏡觀測73個其他星系團的研究中,，Bulbul和他的同事也報道了這條3.5千電子伏特發(fā)射線的存在。

在Bulbul團隊提交他們的研究結(jié)果僅一周之后,，由荷蘭萊頓大學(xué)的Alexey Boyarsky領(lǐng)導(dǎo)的另一個團組又給這個暗物質(zhì)的故事增加了戲劇性的情節(jié),，他們報告了XMM-牛頓衛(wèi)星觀測到來自 M31星系和英仙座星系團邊緣的3.5 keV發(fā)射線的證據(jù)， 確認了Bulbul等人的結(jié)論,。

但是隨后,，這兩個發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了爭議，因為其他天文學(xué)家在觀測其他天體的時候,，有些觀測到了3.5 keV發(fā)射線,，有些科學(xué)家則未觀測到。

2016年,，為觀測X射線光譜中的發(fā)射線等詳細特征而特別設(shè)計的“瞳”X射線望遠鏡,，也未能在英仙座星團中觀測到3.5 keV發(fā)射線。關(guān)于這個發(fā)現(xiàn)的爭議似乎到此為止了,。

來自牛津的合著者Francesca Day說：“也許有人會認為,，當(dāng)“瞳”沒有看到那個3.5千電子伏特發(fā)射線時，我們就會放棄這條線索,。恰恰相反,，就像任何有趣的故事一樣，一個有趣的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)了,?！?/p>

Conlon和同事們發(fā)現(xiàn)，“瞳”衛(wèi)星的圖像清晰度遠不如錢德拉,，“瞳”觀測英仙座星團得到的數(shù)據(jù)實際上由兩個不同來源的X射線信號混合而成：一部分是包裹著星系團中央大星系的熾熱氣體的彌散輻射,，另一部分是來自中央大星系中心超大質(zhì)量黑洞附近的X射線輻射。錢德拉望遠鏡成像要清晰得多,，可以將兩個區(qū)域?qū)射線信號的貢獻區(qū)分開,。Bulbul等人利用這一特點，在分析過程中扣除了點源（包括超大質(zhì)量黑洞附近物質(zhì)產(chǎn)生的X射線）,，從而分離出了熾熱氣體產(chǎn)生的X射線信號,。

為了測試這種差異是否重要，劍橋大學(xué)的研究人員重新分析了2009年由錢德拉望遠鏡收集到的位于英仙座中心的黑洞的X射線數(shù)據(jù),。他們發(fā)現(xiàn)了令人吃驚的現(xiàn)象：在大質(zhì)量黑洞附近區(qū)域3.5 keV的X射線出現(xiàn)了“虧空”,，而不是“盈余”。這表明英仙座星系團中的某種東西正在吸收這一能量的X射線,。研究人員將這一吸收線加到錢德拉和XMM-牛頓觀測到的熱氣體的發(fā)射線上,，來模擬“瞳”的光譜，疊加得到的X射線光譜在3.5 keV既沒有發(fā)射又沒有吸收,，這和“瞳”的觀測結(jié)果一致,。

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)在于如何解釋這樣的現(xiàn)象：觀測黑洞時探測到X射線的吸收線,；而觀察遠離黑洞的熾熱氣體時，則探測到同樣能量的X射線發(fā)射線,。

事實上，這種現(xiàn)象為使用光學(xué)望遠鏡研究恒星和氣體云的天文學(xué)家所熟知,。 被氣體云包圍的恒星發(fā)出的光常常呈現(xiàn)吸收線,，這是由于氣體云中的原子吸收了特定能量的恒星光。 這種吸收將原子從低能態(tài)踢向高能態(tài),。原子很快回落到低能態(tài),，并伴隨著特定能量的光輻射，但是這種光重新發(fā)射到各個方向,，在觀測到的恒星光譜中的一條吸收線處產(chǎn)生凈光損失,。相比之下，從遠離恒星的一個方向觀察一片氣體云,，只會探測到一種特定能量的重新發(fā)射的光（或者熒光）,，這種光以發(fā)射線的形式出現(xiàn)。

牛津大學(xué)的研究團隊在他們的報告中指出,，暗物質(zhì)粒子可能像原子一樣,，有兩個被3.5 kev能量分離的能態(tài)。如果是這樣的話,，當(dāng)在接近黑洞方向的角度觀察時,，可能發(fā)現(xiàn)一條在3.5 keV能量的吸收線（譯者注：被暗物質(zhì)粒子吸收）；而在遠離黑洞的較大角度觀察星系團的熱氣體時,，則有可能探測到相同能量的一條發(fā)射線（譯者注：由暗物質(zhì)粒子發(fā)射）,。

同樣來自牛津的合著者尼古拉斯·詹寧斯（Nicholas Jennings）說：“這不是一幅簡單易繪的圖像，但是我們可能已經(jīng)找到了一種方法來解釋這個來自英仙座星團不尋常X射線信信號,，并揭示了一條有關(guān)暗物質(zhì)本質(zhì)的線索,。 ”

描述上述解釋的示意圖
Credit: NASA/CXC/M. Weiss

為了寫這個故事的下一章，天文學(xué)家需要進一步觀測英仙座星系團和其他類似星系團,。例如,，天文學(xué)家需要更多數(shù)據(jù)，以證實星系團中心的黑洞附近確實存在X射線的吸收,，并排除一個更為普通的可能性,，就是我們同時遭遇了意料之外的儀器效應(yīng)，以及X射線在3.5 keV統(tǒng)計學(xué)上不太可能出現(xiàn)的減少,。錢德拉X射線天文臺,，XMM-牛頓衛(wèi)星和未來的X射線任務(wù)將繼續(xù)觀察更多星系團，來揭開暗物質(zhì)的神秘面紗,。

描述以上成果的論文于2017年12月19日發(fā)表在《物理學(xué)評論（D輯）》（Physical Review D）上,，可在線獲取預(yù)印本（https:///abs/1608.01684）,。本文的其他合著者有來自牛津大學(xué)的Sven Krippendorf和Markus Rummel。NASA馬歇爾空間飛行中心負責(zé)管理位于華盛頓NASA科學(xué)任務(wù)局的錢德拉計劃,。位于劍橋的史密松天體物理臺控制錢德拉的科學(xué)任務(wù)和飛行運行,。