暗物质间接探测研究进展
暗物质间接探测研究进展
暗物质研究起源于20世纪30年代的天文观测，天文学家发现星系团中存在无法通过可见物质解释的额外引力效应，提出了暗物质来解释观测结果。后续研究发现，暗物质占宇宙质量的约26%，但其粒子性质仍不明确，需超出标准模型的理论解释。暗物质候选者包括多种粒子类型，质量范围广，探测方法涵盖高能物理实验、地下直接探测实验以及天文间接探测等。近年来，基于天文观测的暗物质间接探测取得了显著进展。
来自中国科学院紫金山天文台暗物质与空间天文重点实验室的黄晓渊在《中国科学: 物理学 力学 天文学》发表综述文章《暗物质间接探测研究进展》，按照暗物质候选者的质量分类，介绍了近年来暗物质间接探测的进展。
文章重点讨论了轴子/类轴子与弱相互作用大质量粒子（WIMPs）这两类暗物质候选者。轴子的质量较小，其衰变产生的单能光子可能出现在射电波段，因此可以通过射电望远镜寻找线谱结构来间接探测。例如，FAST望远镜对矮椭球星系的观测，限制了轴子-光子耦合常数。此外，中子星的强磁场可促使轴子共振转化为光子，产生特定质量对应的线谱，这可以通过单天线望远镜或多天线阵列进行观测。
轴子和类轴子可能通过与光子耦合，在天体光谱中留下特殊印记，如能谱不规则振荡。高能伽马射线通常被河外背景光吸收，但轴子或类轴子的存在可能使其避免吸收并被地球观测到，从而延长探测距离。基于此原理，多项研究通过X射线、伽马射线等观测，对类轴子-光子耦合常数和质量范围进行了限制。近年来，伽马射线暴GRB 221009A的观测引发了对类轴子效应的讨论，但后续分析未发现显著证据，并进一步限制了类轴子参数。银河系内源和脉冲星观测提供了新的信号和约束，但仍存在磁场模型不确定性和实验结果矛盾等问题。
图1 不同实验对类轴子与光子耦合常数在95%置信水平给出的上限
此外，轴子可以通过超辐射从旋转黑洞提取能量，形成围绕黑洞的玻色云。事件视界望远镜（EHT）对Messier 87中心黑洞的偏振成像研究，为轴子-光子耦合强度提供了严格的限制。轴子还可以在恒星内部产生并带走能量，影响恒星的演化路径和冷却速率。通过对白矮星、红巨星以及超新星遗迹的研究，科学家能够限制轴子与其他粒子的耦合常数。
WIMPs也是暗物质的重要候选，其湮灭产生的伽马射线是重要的间接探测信号。近年来，Fermi-LAT和“悟空”号卫星等在银河系中心、星系团和矮星系等区域进行了大量搜寻工作，尽管曾报告过疑似线谱信号，但随着数据积累这些信号不再显著。“悟空”号以其优异的能量分辨率在线谱搜寻方面展示了潜力，尽管未发现显著信号，但在接收度远低于Fermi-LAT的情况下达到了类似的限制水平。除了线谱之外，连续谱超出也是一种重要信号。银河系中心的GeV超出被认为是暗物质湮灭的潜在信号，但毫秒脉冲星也是可能的解释之一。对此，研究人员引入了精细的统计方法区分两种可能，但尚未达成共识。
图2 对银心区域伽马射线超出拟合所得的1σ与2σ暗物质信号参数范围
WIMPs也可能通过衰变或湮灭产生额外的带电粒子，从而影响宇宙线的能谱。实验如PAMELA、ATIC、Fermi-LAT、AMS-02等观测到宇宙线正电子比例及正负电子总流量在特定能量范围内的超出现象，可能由WIMPs暗物质产生。如果成立，则需要解释为何所需的湮灭截面远大于标准热退耦模型的预测。此外，“悟空”号首次测量到正负电子总能谱在约1 TeV处的拐折，并初步显示了在大约1.4 TeV处的精细结构，这对研究暗物质贡献具有重要意义。
文章还讨论了其他几种暗物质模型，包括超轻暗物质（质量最低到10-24eV）、轻暗物质（质量在keV至GeV）、超重暗物质（质量范围10 TeV至普朗克能标）。近年来的天文观测对其湮灭截面、衰变寿命等提供了严格限制。
文章最后总结道，暗物质的存在已被多项天文观测支持，但其性质仍然未知。传统探测集中在电弱能标的WIMPs，LHC和直接探测实验对其参数施加了严格限制。近年来，间接探测进展迅速，对正电子、反质子和银心GeV超出等疑似信号的起源仍需确认。未来，基于多波段和多信使观测的新设备（如FAST、CTA、HERD等）将进一步提高灵敏度，有望带来突破性发现，推动暗物质模型检验和信号解析。
本文原文来自《中国科学: 物理学 力学 天文学》