我们银河系中心的暗物质 

费米望远镜清晰地观测到我们银河系中心过量的γ射线发射，其形状呈非球形且扁平。这种过量的γ射线被称为银河系中心过量（GCE），可能是暗物质的标志，暗物质是弱相互作用大质量粒子（WIMP）自湮灭的产物，而WIMP是暗物质粒子的候选者。然而，在银河系中心观测到的过量γ射线也可能是由古老的毫秒脉冲星（MSP）造成的。迄今为止，人们认为由暗物质（DM）引起的GCE形态应该是球形的。最近的一项模拟研究表明，由DM引起的伽马射线形态可能明显非球形且扁平。这意味着对于观测到的GCE，暗物质（DM）湮灭和毫秒脉冲星（MSP）的假设都是同样可能的。暗物质（DM）湮灭产生的伽马射线能量极高，约为0.1万亿电子伏特（TeV）。标准伽马射线望远镜无法直接探测到这些高能光子。因此，在切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）和南方广角伽马射线天文台（SWGO）等万亿级γ射线天文台完成研究后，将有可能确认银河系中心过剩（GCE）的暗物质（DM）模型。

暗物质的故事始于 1933 年，当时 Fritz Zwicky 观察到后发座星系团中快速移动的星系如果没有额外的物质就无法保持稳定，这些物质虽然看不见，但却能产生足够的引力作用来阻止星系崩解。他创造了“暗物质”一词来指代这种看不见的物质。20 世纪 60 年代，Vera Rubin 为我们理解暗物质做出了开创性的贡献。她指出，仙女座星系和其他星系外缘的恒星以与恒星向中心旋转的速度相同的速度旋转。对于所有观测到的物质的总和，星系应该已经分崩离析，这必然需要一些额外的看不见的物质来维持星系的稳定并使其高速旋转。她对仙女座星系旋转曲线的测量提供了暗物质存在的最早证据。  

现在我们知道，暗物质不与光或电磁力相互作用。它不吸收、反射或发射光或任何其他电磁辐射，是不可见的，因此被称为暗物质。但它会通过引力聚集，并对普通物质产生引力效应，这通常是推断它在太空中存在的原因。星系通过暗物质的引力作用保持平衡，暗物质占宇宙质量能量的26.8%，而整个可观测宇宙，包括构成我们所有人的所有重子普通物质，仅占宇宙的4.9%。宇宙剩余的68.3%的质量能量是暗能量。  

暗物质究竟是什么，我们尚不清楚。宇宙中不存在任何基本粒子。 标准模型 具备构成暗物质所需的特性。或许，假设的“超对称粒子”与标准模型中的粒子形成伙伴，构成了暗物质。或许存在一个暗物质的平行世界。弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子或惰性中微子是超出标准模型的假设粒子，也是主要的候选粒子。然而，迄今为止，探测此类粒子尚未取得成功。  

有几个项目（例如 氙气实验， DarkSide-20k项目, EURECA 实验， 和 RES新星目前正在进行的直接探测暗物质粒子的计划主要包括液态惰性气体探测器或低温探测器，旨在探测暗物质粒子相互作用产生的微弱信号。然而，尽管有许多新方法，但目前还没有一个项目能够直接探测到任何暗物质粒子。 

要寻找暗物质的间接证据，可以寻找暗物质的引力效应，就像弗里茨·兹维基和薇拉·鲁宾那样，他们通过研究星系如何在速度远高于普通物质速度的情况下保持凝聚力来发现暗物质。引力透镜效应（光线弯曲）以及引力透镜效应对恒星在太空中运动的影响也可以提供暗物质存在的间接证据。此外，暗物质粒子在太空​​中相互碰撞产生的湮灭产物（例如伽马射线、中微子和宇宙射线）也可以表明暗物质的存在。根据暗物质粒子湮灭产物预测暗物质存在的一个地点就是我们所在的银河系中心。  

探测到银河系中心的暗物质  

有迹象表明，银河系中心（MW）存在过量的弥散微波中心辉光。这种过量的辉光被认为是由于WIMP暗物质湮灭过程中产生的相对论电子和正电子的同步辐射所致，因此预测会出现能量高达几百GeV的扩展弥散γ射线信号。随后，费米大面积望远镜（LAT）探测到了该γ射线信号，并将其鉴定为银河系中心过量（GCE）。很快，人们意识到银河系中心过量（GCE）也可能是由老中子星（毫秒脉冲星）引起的。GCE的形态被认为很重要——对称的球形GCE可能表明暗物质（DM）粒子湮灭产生了γ射线，而扁平的GCE形态则暗示毫秒脉冲星（MSP）产生了γ射线。  

费米大面积望远镜（LAT）对银河系中心进行了广泛的观测，发现了一个扁平的非球面。通常，人们会将观测到的非球面与老恒星（MSP）联系起来，然而，2025年10月16日发表的一项最新研究得出结论，老恒星（MSP）和暗物质（DM）湮灭模型预测的GCE形态难以区分。   

为了研究暗物质的分布，研究人员对类银河系（MW）星系的形态进行了模拟。他们发现，星系周围以及星系中心区域周围的暗物质晕很少像各向异性模型所假设的那样呈球形。相反，分析显示所有星系的暗物质密度投影都呈扁平状。宇宙历史最初30亿年中银河系的合并历史也显示了这种非轴对称的暗物质（DM）分布。观测到的GCE形态在中心区域呈扁平状，这通常被认为是老恒星（MSP）分布的特征。这项新研究表明，暗物质（DM）也呈现出类似的盒状分布。因此，对于观测到的GCE，暗物质（DM）湮灭假说和毫秒脉冲星（MSP）假说都同样可能。   

当切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）和南方广角伽马射线天文台（SWGO）等γ射线天文台在未来完成其太拉伽马射线研究后，我们就能知道观测到的GCE是由暗物质（DM）还是毫秒脉冲星（MSP）引起的。银河系中心暗物质（DM）湮灭产生的伽马射线将是超高能光子，其能量水平极高，约为0.1太拉电子伏特（TeV）。标准的伽马射线望远镜无法直接探测到这些高能光子。太拉伽马射线将成为未来CTAO和SWGO等γ射线天文台的重要目标。  

这项研究在通过湮灭产物探测太空暗物质方面迈出了一步，然而，银河系中心是否存在暗物质，未来仍需借助CTAO或SWGO等超高能γ射线天文台进行确认。暗物质科学领域更重大的进展将是直接探测任何DM粒子。  

*** 

参考文献：  

1. Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK 等人。暗物质探测的新方法。《自然·物理学评论》4, 637–641 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4 

2. Misiaszeka M. 和 Rossib N. 2024. 暗物质的直接探测：一篇评论性综述。Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201  

3. 粒子物理研究所。《寻找暗物质：探测不可见物质的新方法》。2025年8月22日。网址： https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible 

4. Muru MM 等人，2025. 费米-LAT 模拟银河系中心暗物质过剩形态。物理评论快报，135, 161005。2025 年 10 月 16 日出版。DOI： https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd 预印本发表于 arXiv。提交于 2025 年 8 月 8 日。DOI： https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314  

5. 约翰·霍普金斯大学。新闻——银河系神秘辉光或为暗物质存在的证据。发布于2025年10月16日。可访问 https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/  

6. 莱布尼茨天体物理研究所。新闻——银河系因暗物质湮灭而出现伽马射线过剩。发布于2025年10月17日。可访问 https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/  

7. 费米伽马射线太空望远镜。 https://science.nasa.gov/mission/fermi/  

8. 切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）。网址： https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/  

9. 南方广域伽马射线天文台（SWGO）。 https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub  

10. 塔尔图天文台。《宇宙的黑暗面》。 https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe 

***