户谷友则（Tomonori Totani，1971年11月21日—），东京大学天文系教授。图源：https://sites.google.com/view/tomonori-totani

导读：

     日本天文学家家户谷友则最近声称可能探测到了暗物质。这是怎么回事？如何证明这是真的或假的呢？

11月26日，日本东京大学发布了一篇新闻稿，标题是：100年来，科学家可能首次探测到暗物质。哇，很重磅。虽然很克制地用了“可能”一词，我们还是不妨了解一下，看看到底是怎么回事。

东京大学新闻稿通报的这项研究，已经发表于同行评议期刊Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上，作者只有一位，东京大学天文学家户谷友则（Tomonori Totani）。

“暗物质”这个自带神秘色彩的术语，是加州理工学院教授弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日）在1933年提出来的。

里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日），瑞士裔美国天文学家，加州理工学院教授，在理论和观测天文学上，包括超新星、星系团等方面做出了重要的贡献。

兹威基分析后发座星系团的天文数据，发现星系环绕星系团中心转动的速度大的惊人，星系团中的发光物质总量远远不足以提供相应的向心力。兹威基提出，星系团中还存在一种不发光的物质，并将其命名为“暗物质”（德语为dunkle Materie，Helvetica Physica Acta, 1933, 6, 110–127）。

根据天文观测数据生成的发座星系团图像。后发座是唯一一个以历史人物命名的星座，“后发”的意思是埃及法老托勒密三世的王后的头发。星系团是星系在引力的作用下结成的集合体。

兹威基提出的暗物质概念并没有立即产生太大影响。直到1970年代，天文学家对卫星星系（即在大质量星系附近的小质量星系）进行观测后发现，只有假设存在额外的看不见的物质才能够解释它们的运动。自此，天文学家才开始对暗物质进行严肃的探讨。

暗物质的地位真正得到巩固，是因为美国女天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin，1928年7月23日—2016年12月25日）的工作。1970年年代，鲁宾发现，从距离星系中心稍微远一点的地方开始，不管恒星距离星系中心有多远，它们围绕星系中心公转的速度几乎是一样的！在星系几乎空无一物的边远地区的孤立的恒星和气体云的公转速度应随距离增大而减小，然而并没有。最自然的解释是，存在暗物质，是暗物质的引力让星系外围的遥远恒星维持着远超预期的公转速度，如果没有暗物质，那里的恒星将飞出星系。鲁宾给出了当时有关暗物质的最强证据。（鲁宾的这一发现，也有其他解释，比如修改万有引力定律。）

从那时起，关于暗物质存在的证据变得越来越强（如引力透镜效应、子弹星系团等，有些证据不是修改万有引力定律所能解释的，不再赘述），它在宇宙中所占比例被测量得越来越精确，是我们熟悉的普通物质的5倍之多。说我们的物质“普通”并不合适，因为它们在宇宙中其实相当罕见。

宇宙组成饼状图

天文学家们指出，我们其实就生活在暗物质中，整个银河系也浸泡在一个巨大、透明的暗物质“泡泡”——称为暗物质晕——里面。我们没有感觉到暗物质的存在，就像鱼儿感觉不到水的存在一样。这是因为暗物质遵守与普通物质一样的引力规律，但它并没有能让我们探测到它的其他作用。暗物质不发光，不吸收光，也不反射和散射光，用任何波段的探测器或望远镜都无法观察到。暗物质也不参与强和弱相互作用。

物理学家为直接探测暗物质已经和正在进行了诸多努力，目前还未发现暗物质的确凿信号。

户谷友则教授说，我们可能已经探测到了暗物质。

物理学家普遍认为，暗物质由一种新的基本粒子组成。物理学家们也提出了多种候选粒子，其中最被看好的粒子是弱相互作用大质量粒子（weakly interacting massive particle, WIMP），因为基于这种粒子的宇宙模型与天文观测最为符合。WIMP的名字体现着其性质，它与普通物质间有很弱的相互作用，其质量比普通物质的基本粒子要大。

对于普通物质，粒子与反粒子相遇会发生湮灭并产生光子或其他粒子，WIMP与它的反粒子相遇也会发生类似的事情。

探测WIMP湮灭之后的产物是探测WIMP最有希望的方法之一。

在很多理论模型中，WIMP的反粒子就是它自身，两个WIMP湮灭后，产物粒子经过一系列变化后，最终会产生伽马射线。多年来，研究人员通过天文观测，将目标锁定在暗物质集中的区域，例如银河系中心、矮星系、星系团，以寻找具有某些特征的伽马射线，例如信号强度分布与暗物质分布对应，信号谱线有某个特定的峰，等等。

2008年，美国将费米大面积望远镜（Fermi Large Area Telescope），它的使命之一就是探测暗物质。从这台望远镜的数据中，户谷友则教授看到了疑似WIMP湮灭产生的伽马射线信号。

户谷友则教授分析了费米大面积望远镜2008年至2023年这15年的公开数据。他感兴趣的是银河系外围，而非银河系中心。银河系中心暗物质密度虽然大，但那里成分复杂，是噪声“地狱”，而银河系外围背景最少、噪声最低，暗物质有一个平滑的球形分布。

户谷友则教授处理了银河系外围处辐射的伽马射线信号，去除所有可能的已知来源，发现依然有一层淡淡的伽马射线光壳包围着银河系，这层光壳的能量峰值是20GeV。

因此，户谷友则教授说，这就是暗物质存在的证据！

伽马射线光壳呈现极为圆滑、均匀的球形分布。它的亮度随着到银河中心的距离的增大而逐渐下降，下降的方式与暗物质分布模型非常接近。20 GeV的能量峰值，正好落在许多暗物质湮灭理论预言的范围内。

暗物质，也许正在用一圈微弱却真实的伽马射线，向我们透露自己的存在。

户谷友则教授在新闻通稿中说：“如果这项研究是正确，据我所知，这将是人类首次‘观测’到暗物质，并表明，暗物质是一种尚未被纳入当前粒子物理标准模型的新粒子。这标志着天文学和物理学的一项重大进展。”

不过，论文并没有宣布说探测到了暗物质，而是说，这是一种与暗物质预期相符的信号，但也可能来自未知的天体物理过程。只是目前来看，暗物质是最佳解释。

那么，要如何确认所得伽马射线信号真的来自暗物质？

首先，别的团队要能重复出本论文的工作。

其次，要排除过度拟合的嫌疑。户谷友则教授扣除已知来源的伽马射线背景，得到了特别的伽马射线信号。这里面就很有操作空间，不同的背景模型会得到大相径庭的结果，特意凑出一个球形分布，也不算难事。这就需要用各种合理的背景模型重做本文的分析，看看信号是否一直存在。

再次，建造更先进的望远镜，做更精确的观测，比如切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array Observatory），这是新一代地面伽马射线仪器。

或者，用其他方面的研究进行交叉验证。

即便本研究被证伪也没什么大不了，毕竟暗物质探测研究出过多次乌龙了。

本研究的结论即便错了，它也是有价值的。

如果本研究是错的，会有助于提出更准确的背景模型，会成为“警示案例”：告诉我们暗物质搜索中哪些细节不能忽略。

一个好的科学研究不是给出绝对正确的答案，而是：

● 提出一个清晰的问题

● 给出可以检验的预测

● 设计一套可复现的方法

● 鼓励他人进行检验

这篇论文发现，银河系外围有一个球形、20 GeV 的伽马射线结构，与暗物质晕的几何形状一致。这是明确定义的、可直接检验的结论。未来，其他团队可以立即着手证实或证伪。如果最终被证伪，它也拓宽了科学视野，明晰了问题边界。

科学评价重要的不是“对或错”，更在于“是否推动进步”。科学史上大大小小的进展，就是通过对对错错的研究一步一步推进的。