最新研究：银河系中心发现暗物质直接证据？

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什么？银河系中心发现暗物质的直接证据？

暗物质之前没少聊，从当初为什么要引入它、认为它存在的证据有哪些、它的候选者都有什么，以及一些怀疑和暗物质有关的天文现象等等。围绕暗物质是否存在的争论，科学界吵吵了不下几十年了。找到暗物质存在的直接证据，是结束这场争端的关键。

暗物质不参与电磁相互作用，看不见摸不着的，怎么才算直接证据呢？所谓直接证据，就是不能只依靠引力效应，要能通过其他方式探测到，比如观测到它湮灭时产生的特定伽马射线，这就是一种直接证据。

找暗物质的湮灭证据，肯定得去暗物质密集地方找。那哪里的暗物质密度比较高呢？

都说星系通常都会被暗物质晕包裹着，那是不是说暗物质主要都集中在星系外围呢？其实不然。暗物质可是有引力的，在引力作用下，甭管是普通物质还是暗物质，它们都会自发向中心聚集。差别仅在于暗物质不参与电磁相互作用，所以通常认为它不会像普通物质那样聚集成恒星、行星这样的高密度天体，只会成晕状分布。因此在星系尺度上，不管是普通物质还是暗物质，星系中心都是密度最高的地方。也正因如此，不少天文学家都将目光对准了银河系的中心。

2009年，通过费米伽马射线望远镜（Fermi-LAT），人们在银河系中心发现了一块亮度异常的区域。那里发出的伽马射线比理论模型预测的要强得多，而且分布范围非常稳定。当时科学家非常兴奋，因为这些伽马射线的能量段，恰好和某种暗物质模型预测的湮灭反应释放出来的能量相吻合。

这种暗物质模型预测的是一种被称为“大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs）”的东西。这是一种仅通过引力和弱力发生相互作用的假想粒子，由于质量比较大（大约是质子的500倍），所以它的运动比较缓慢，很容易聚集成团，因此这种粒子很符合“冷”暗物质模型（CDM）的要求，算是目前最主流的暗物质候选粒子。

这种粒子还有个特点，就是它的反粒子是它的自身。没错，理论上暗物质也有对应的反物质，你可以叫它“反暗物质”。基于这个特点，假如暗物质真的是由这种WIMP构成的话，那么在它们聚集成团的中心，密度比较高的地方，这里的暗物质粒子可能就会因为相互“碰撞”，从而引发大面积的湮灭反应发生。伴随湮灭反应的，是具有特殊能谱的伽马射线粒子释放。因此人们认为，假如暗物质存在（并且是这种WIMP），那么在银河系中心我们应该能观察到GeV这个程度的高能辐射。

好巧不巧，通过费米伽马射线望远镜，人们在银河系中心还真就发现存在“多余”的GeV级别的伽马射线，而且强度和空间分布都与暗物质湮灭信号十分相似，该现象被称为“银心GeV过剩（Galactic Center Excess, GCE）”。

但是，仅靠这些并不能肯定就一定是暗物质造成的，你得排除其他可能性。比如很快就有人提出，这种异常的过量辐射，毫秒脉冲星也能产生。

我们知道，毫秒脉冲星其实就是一种自转非常快、年龄很大的老年中子星。它们虽然亮度不高，但是非常稳定，也能产生和过量伽马射线相匹配的高能辐射。更关键的是，银河系中心恒星密集，其中很多恒星都到了暮年，所以这里存在大量的毫秒脉冲星非常合理。这些低亮度的毫秒脉冲星，如果直接观测的话很难看到，但是它们的累积效应足以产生能够被观测到的伽马辐射。所以那些过量辐射，完全可以用毫秒脉冲星来解释。

两种观点貌似都有道理，那这些过量伽马射线到底是来自暗物质，还是毫秒脉冲星呢？

这时候有科学家提出了一个鉴别方法：就是看这些过量辐射整体上呈现什么形状。如果形状近似球形，那就符合暗物质的特性；如果形状是扁平的，和银河系核球的样子差不多，那说明更可能是脉冲星造成的。经过后续各种观测，人们发现，过量辐射区域的形状整体偏扁，并非球形，所以它应该来自脉冲星，而非暗物质。至此，银河系中心的过量辐射谜团似乎已经水落石出。

不过对此，仍有科学家表示不服：谁说星系中心的暗物质就一定得是球形？就像当年的宇称不守恒，“向来如此”就一定是对的吗？传统暗物质理论难道就没有问题吗？

2025年10月，一篇发表于《物理评论快报》上的文章中，研究团队基于真实数据模拟了一些类银河星系的演化过程。然后他们发现，这些星系最终无一例外全都演化出了非球形的暗物质中心。包括暗物质湮灭产生的伽马辐射形状，也和脉冲星模型十分相似。也就是说，倘若之前“球形暗物质”的这个假设是错的的话，那么想通过辐射形状来排除暗物质这个想法或许根本不可行。

注意：这篇论文并不是在证明“银河系中心的过量伽马射线一定来自暗物质”，而是在证明“通过辐射形状来否定暗物质的方法不可行”，仅此而已。

另外，这项研究也有它的局限性。

首先，不管用到的数据有多真实，论文结论的得出仍然是建立在模拟的基础上，而非直接观测。而且这次也只模拟了6个星系，样本规模有限，细节方面肯定和真实的银河系存在诸多偏差。其次，“伽马射线过量”这件事本身就很难观测。和太阳系所在的“郊区”不同，银河系中心非常拥挤，环境异常复杂，那里本身就存在着各种各样的高能活动。从杂乱的背景中过滤出符合条件的数据，想不产生误差很难。

为了避免类似问题，有科学家另辟蹊径。2025年11月，一篇发表于《宇宙学与粒子天体物理杂志》上的文章中，来自东京大学的天文学家尝试了个新思路：既然银河系中心太混乱，那咱就没必要和它死磕，咱可以把视线往两边稍微挪挪。于是，作者剔除了银盘上下10度以内的区域，直接把目光投向了银心的上下两个晕区。诶对，就是之前说的“费米气泡”的那个位置。

虽然这里相对核球区域要“干净”很多，但是这里仍然充满了各种辐射，比如恒星辐射、宇宙射线以及星际气体产生的弥散辐射等等。但当作者把这些干扰因素一一剔除后发现，数据中仍然剩下一块无法解释的“过剩”辐射。该辐射信号并不是随机的噪声，因为它有着很高的强度并且很有规律：从2 GeV开始逐渐上升，在20 GeV左右达到峰值，过了200 GeV后迅速消失。先前银河系中心发现的疑似信号峰值通常在 2~3 GeV，这里的信号峰值提高了将近1个数量级，说明它很可能是一个全新的未知现象。

随后作者分析了该信号在空间上的分布情况（也就是前面说的辐射形状），结果显示，此处的辐射呈现出非常规则的球对称分布，和传统暗物质理论预言的一模一样。即便上篇研究对于这个球形分布提出了质疑，但也仅仅只是初步的质疑，主流暗物质理论仍然偏向球对称分布，所以该信号整体上仍然符合当今的暗物质模型。

但是作者同时也指出，由于和目前对矮星系的观测数据对不上，所以它仍不足以作为暗物质存在的直接证据。正所谓“孤例不证”，倘若暗物质真的存在，那么类似现象在其他星系中应该会普遍存在。未来，除了继续关注本星系外，我们还应把目光投向附近的其他星系，尤其是身边的矮星系。只有通过更多独立场景的验证，才能进一步检测暗物质模型的普适性，也唯有如此，才能将暗物质假说真正转化为经得起考验的科学定论。

Funk, S. (2013). Indirect Detection of Dark Matter with gamma rays. arXiv.

Muru, M. M., Silk, J., Libeskind, N. I., Gottlöber, S., & Hoffman, Y. (2025). Fermi-LAT Galactic Center Excess Morphology of Dark Matter in Simulations of the Milky Way Galaxy. Physical Review Letters, 135(16).

Totani, T. (2025). 20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025(11), 080.