探尋暗物質,物理學家分析數據的技術與天文學家的經驗發生爭執

2020-11-25 山川異域合作共贏

一年的空寂天空觀測值的「無效結果」可以排除暗物質的一種可能性。

德賽特和他的同事正在尋找微弱的X射線信號,該信號是2014年由布爾和博亞克及其同事發現的,該信號幾乎沒有任何解釋。最初是在星系團中心發現的,能量大約為3500千伏的X射線神秘的多餘部分,後來也用其他幾種天文望遠鏡在其他幾個天文目標中看到了,其中包括銀河系。然而,這一發現仍存在爭議,因為對其他目標的觀察未能使信號產生作用。

一些科學家懷疑次暗物質粒子在衰變時會產生X射線光子。每7千伏無菌中微子將產生一個3.5千伏光子和一個普通中微子。研究了數百個銀河系觀測結果,而沒有任何3.5千伏信號的跡象。

長期觀測空寂的天空

為了尋找難以捉摸的X射線信號,德賽特和他的同事彙編了XMM-Newton衛星上X射線攝影機拍攝的752個觀測值。他們只選擇了距離銀河系中心5°至45°的銀河系暈圈的天空空白區域,從而選擇了這些觀測值。綜上所述,這些觀察結果合計長達一年的暴露時間。

事實證明,銀河系光環應該是暗物質衰變中天空中最亮的物體之一,儘管英仙座星系團的暗物質多得多,但距離數百萬光年,事實證明信號的大小大致相同。

德賽特和他的同事同時研究了數百個觀測值,將其分析限制在一個狹窄的能量範圍(從3.3到3.8千伏)。他們沒有發現3.5千伏信號的跡象。

此外,通過 基於暗物質模型計算它們應該接收多少X射線,該團隊能夠消除7千伏無菌中微子作為暗物質粒子的候選者-如果他們在那裡,他們會說,他們會看到。無論是來自遙遠星系星團的信號(無論是真實信號還是背景噪聲汙染的信號),在銀河系的光環中都不存在。

一切都與背景有關

但是,這種信號不足引發了與原始檢測一樣多的爭議。德賽特和其他物理學家用來分析X射線數據的技術與天文學家的經驗背道而馳。

將X射線信號從背景中分離出來需要了解背景是什麼。一種背景來源是真實的宇宙來源,它們的X射線可以隱藏暗物質信號。

另一個背景來源是銀河宇宙射線和太陽風粒子與望遠鏡及其探測器相互作用時產生的「偽」X射線。粒子會產生偽裝成宇宙X射線源的信號。對於觀察者而言,儀器背景是估計和消除最具挑戰性的事物。

德塞特認為,從第一方面看,銀河系觀測的背景非常低。也就是說,沒有太多的宇宙X射線幹擾假定的暗物質信號。

但是布爾反駁說,研究人員對粒子背景的爭論並不好,由於XMM-Newton的探測器背景可變性極高,因此很難處理。

像布爾已經在與銀河系非常相同的XMM-牛頓觀測的子集中檢測到3.5千伏信號,具有很高的置信度。

對廣闊區域(從2,000到6,000伏)的背景進行了建模,德賽特和他的同事們在大約500伏的窗口內進行測量。博雅斯基認為,通過分析如此狹窄的能量範圍,德塞特及其同事阻礙了他們自己的分析,我認識的大多數X射線天文學家都同意這些結論。

在論文中使用的統計方法在X射線天文學方面相對較新,因此在某些研究人員中引起了一些混亂。當尋找伽馬射線數據中的線或大型強子對撞機的狹窄特徵時,該方法實際上是經過嚴格測試和廣泛使用的方法。

如果使用狹窄的能量範圍,我們需要一種適當的統計方法來解決這種不確定性。

下一步是什麼?

德賽特說:「迄今為止,我們開發的這項技術是探測暗物質衰減的最靈敏技術,我們當然希望將來再次使用它。」 物理學家計劃擴展他們的分析,以尋找其他能量的暗物質候選物。

但是,談到3.5千伏線時,Bulbul認為當前的儀器沒有太多要做。她說:「除非有新技術進入太空,否則我們將無法確定這條線的起源。」 「好消息是我們快到了。」

剛剛發射的EROSITA X射線望遠鏡已經在收集星系團的數據,這些數據將用於測試3.5千伏信號的存在和起源。等取得第一批結果時,X射線成像和光譜任務(XRISM)將啟動

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