质量较小的暗物质可能会驱动银河系核心发出神秘的光芒。
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，中央分子区（CMZ）中的气体，即银河系核心附近的一个密集而混乱的区域， 似乎以惊人的高速率被电离（这意味着它是带电的，因为它失去了电子）。
其次，望远镜检测到能量为511 千电子伏(keV)（相当于静止电子的能量）的神秘伽马射线辉光。
有趣的是，当电子和它的反物质对应物（所有基本带电粒子都具有几乎相同但具有相反电荷的反物质版本）时，就会产生这种伽马射线——正电子，在闪光中碰撞并湮灭。
尽管经过数十年的观察，这两种效应的原因仍不清楚。但在《物理评论快报》上发表的一项新研究中，我和我的同事表明，两者都可能与宇宙中最难以捉摸的成分之一：暗物质有关。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
CMZ跨越近 700 光年，包含银河系中一些最密集的分子气体。多年来，科学家发现该区域异常电离，这意味着那里的氢分子分裂成带电粒子（电子和原子核）的速度比预期快得多。
这可能是宇宙射线和星光等光源轰击气体的结果。然而，仅这些似乎无法解释观察到的水平。
另一个谜团是 511 keV 发射，首次在 20 世纪 70 年代被观察到，但仍然没有明确的来源。 已经提出了几种候选者，包括超新星、大质量恒星、黑洞和中子星。然而，没有人能够完全解释发射的模式或强度。
我们问了一个简单的问题：这两种现象是否是由同一个隐藏过程引起的？
暗物质约占宇宙物质的 85% ，但它不发射或吸收光。虽然它的引力效应很明显，但科学家们还不知道它是由什么构成的。
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，但仍然发挥着宇宙作用。这些候选浅暗物质通常被称为亚 GeV（千兆电子伏）暗物质粒子。
这种暗物质粒子可能与其反粒子相互作用。在我们的工作中，我们研究了如果这些光暗物质粒子与银河系中心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，并通过击落电子来非常有效地电离周围的氢分子。由于该区域非常密集，粒子不会传播很远。相反，它们会将大部分能量沉积在局部，这与观察到的电离剖面非常匹配。
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都不冲突。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，产生能量恰好为 511 keV 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 511 keV 辐射。这一惊人的发现表明，这两个信号可能源自同一来源：光暗物质。
511 keV 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湮灭的确切位置。这些细节仍不确定。
测试无形事物的新方法
无论 511-keV 发射和 CMZ 电离是否共享一个共同源，CMZ 中的电离率正在成为研究暗物质的一个有价值的新观测。特别是，它提供了一种测试涉及光暗物质粒子的模型的方法，而使用传统的实验室实验很难检测到这些粒子。
对银河系的移动观测可以帮助检验暗物质理论。欧洲南方天文台/Y。贝列茨基, CC BY-SA
在我们的研究中，我们发现暗物质的预测电离剖面在整个 CMZ 上非常平坦。这很重要，因为观察到的电离确实分布相对均匀。
银河系中心的黑洞等点源或超新星（爆炸的恒星）等宇宙射线源无法轻易解释这一点。但平滑分布的暗物质晕却可以。
我们的研究结果表明，银河系中心可能提供有关暗物质基本性质的新线索。
未来具有更好分辨率的望远镜将能够提供更多关于 511 keV 线和 CMZ 电离率之间的空间分布和关系的信息。与此同时，对 CMZ 的持续观测可能有助于排除或加强暗物质的解释。
不管怎样，这些来自银河系中心的奇怪信号提醒我们，宇宙仍然充满了惊喜。有时，向内看，看看我们银河系充满活力、发光的中心，会揭示出更意想不到的暗示。
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。