天文學百年謎團有解？日科學家提出人類「首見」暗物質直接證據

日本天文物理學家戶谷友則（Tomonori Totani）利用NASA費米伽瑪射線望遠鏡的數據，發現銀河系中心出現呈光暈狀分布的高能伽瑪射線，形狀與暗物質暈模型十分吻合，這可能是人類首次「看見」暗物質（dark matter）的直接證據。然而，科學界仍保持審慎，指出中子星、黑洞等天體，亦可能產生類似訊號，需待更多研究驗證。若證實，此研究將成為破解暗物質之謎的重要里程碑。

暗物質長期被視為天文物理學一大未解之謎，但暗物質不反射、發射或吸收光線，近百年來，無數天文學家搜尋證據，以證明暗物質存在，卻始終無果。然而，日本天文物理學家戶谷友則的最新研究，或許為破解這道難題帶來關鍵突破：他發現從銀河系中心發出的伽瑪射線，似乎帶有暗物質的特徵，這可能是第一個證實暗物質存在的直接證據。

伽瑪射線「光暈狀」現身！或為首個直接證據

日本東京大學天文物理學家戶谷友則的最新研究，25日刊登於《宇宙學與天體粒子物理學期刊》（Journal of Cosmology and Astroparticle Physics），他分析了美國航空暨太空總署（NASA）費米伽瑪射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）的數據，該望遠鏡瞄準銀河系中心，會偵測電磁波譜中能量最高的光子。

戶谷友則發現一種伽瑪射線模式，以光暈狀模式從銀河系中心向外擴散，他表示：「我們偵測到光子能量為20吉電子伏特（200億電子伏特，能量極巨大）的伽瑪射線，它們呈現光暈狀結構向銀河系中心延伸，此伽瑪射線輻射成分與暗物質暈（dark matter halo）的預期形狀十分吻合。」

WIMP理論再獲支持？能量譜與模型高度吻合

目前，一種主流理論認為，暗物質由假想的「弱作用大質量粒子」（Weakly interacting massive particles，簡稱WIMPs）構成，這些粒子比原子中的質子更重，但不會與普通物質發生作用。兩個WIMP碰撞時，會互相湮滅，並釋放其他粒子及強烈的伽瑪射線。觀測到的能量譜，或是伽瑪射線發射強度的範圍，與WIMP湮滅產生的輻射相符，這些WIMP的質量，約為質子的500倍。根據測得的伽瑪射線強度估算的WIMP湮滅頻率，也落在理論預測範圍內。

戶谷友則表示，這些伽瑪射線的亮度，約相當於整個銀河系亮度的百萬分之一，似乎呈現光暈般的結構，分布在天空的大片區域。如果這些輻射集中來自單一來源，那麼，更可能是黑洞、恆星，或是其他宇宙天體釋放出這些伽瑪射線的罪魁禍首，而不是彌散的暗物質。

戶谷友則開心表示，這項發現可能是揭開暗物質本質的「關鍵突破」：「我當然非常興奮！雖然這項研究最初的目標，就是探測暗物質，但我認為，成功機率就像中樂透一樣渺茫。如果這個發現正確，據我所知，這將是人類首次『看見』暗物質。此外，結果顯示，暗物質是不包含在目前粒子物理標準模型的新粒子，這標誌著天文學及物理學的重大進展。」

其他天文來源仍待排除！科學界保持審慎

現在，仍需大量研究來證明這種光暈狀輻射，確實是暗物質湮滅的結果，而不是源自於其他天文現象。戶谷友則表示，「決定因素」將是在其他宇宙區域，例如矮星系（dwarf galaxy），偵測到相同頻譜的伽瑪射線。然而，英國薩里大學（University of Surrey）天文物理學家里德（Justin Read）指出，矮星系缺乏顯著訊號，這強烈暗示戶谷觀測到的伽瑪射線，並非暗物質湮滅造成。

美國約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）物理與天文系教授卡普蘭（David Kaplan）表示，由於人們對伽瑪射線仍知之甚少，很難確切將輻射追溯到暗物質粒子：「我們甚至還不知道宇宙中所有能產生伽瑪射線的物質。」他補充指出，快速旋轉的中子星（neutron star）或吞噬普通物質，並噴出強烈物質噴流的黑洞，也可能產生這些高能量輻射。

百年科學史回顧！暗物質謎團能解？

1932年，荷蘭天文學家奧爾特（Jan Hendrik Oort）發現，銀河系中恒星的運動速度，與根據可見物質分布預測的速度，存在顯著差異，並以「暗物質」一詞來解釋。

1933年，瑞士天文學家茲威基（Fritz Zwicky）發現，大型星系團的星系具有極高的運動速度，而星系的運行速度，遠超出萬有引力公式計算的結果，單靠星系團引力作用，根本不足以束縛這些星系，他推斷存在大量未被發現、「看不見」的隱藏物質。

從那以後，科學家一直尋找暗物質存在的證據，並試圖釐清暗物質的真相。然而，由於暗物質不與電磁力作用，不發光、不吸收光或反射光，至今地面探測器、太空望遠鏡、位於瑞士日內瓦（Geneva）附近的大型強子對撞機，都尚未找到任何確鑿證據。

人類知道的物質僅占宇宙4.9％，暗物質占26.8％，暗能量（dark energy）占68.3％。暗物質是神祕的物質，它就像能將星系結合在一起的「宇宙隱形膠水」，是理解星系形成及演化的關鍵。

✦ 暗物質小檔案 ✦
 
1. 暗物質定義：暗物質是不與電磁力作用且不可見、只能透過重力推測存在的物質。

2. 宇宙組成比例：宇宙由4.9％常規物質、26.8％暗物質、68.3％暗能量構成。

3. 最早提出者：1932年，奧爾特以恆星運動推測銀河系存在看不見的額外質量。

4. 暗物質分類依據：依照早期宇宙的粒子速度，暗物質分為冷、溫、熱三類。