英仙座星系團距地球大約2.5億光年，是宇宙內已知質量最大的天體之一 。你可以將它想象成一個包裹着大量原子的氣雲，每個原子就是一個完整的星系。這個星系團擁有超熱等離子體構成的“大氣”，蘊藏着很多未解之謎。在對英仙座星系團進行細緻觀測時，科學家發現了無法用已知物理學解釋的怪異信號。

NGC 1275星系和英仙座星系團中央區域

2014年7月，哈佛大學天體物理學中心的伊斯拉·布爾比爾不由發出這樣的感慨：“當時我簡直不敢相信自己的眼睛。”在對英仙座星系團進行觀測時，布爾比爾所在的研究小組發現一個怪異信號，似乎不來自於英仙座星系團X射線光譜中探測到的任何已知物質類型。她說：“根據我們的最初判斷，我們發現的信號無法用已知物理學解釋。”

藉助錢德拉X射線望遠鏡，布爾比爾和十幾位科學家組成的研究小組對英仙座星系團進行觀測。布爾比爾表示：“這個星系團的‘大氣’充斥着離子，在X射線光譜中形成“凸起”或者“線”，我們可以藉助錢德拉進行測繪。”2012年，在添加錢德拉望遠鏡的觀測數據後，布爾比爾喫驚地發現原本不該有“線”的地方出現了一條“新線”。“這條3.56千電子伏光譜線不與任何已知原子躍遷相對應。這是一項令人驚異的發現。”

錢德拉望遠鏡捕獲的英仙座星系團中央區域影像

最初，布爾比爾也不敢相信。她說：“我用了很長時間才讓自己相信，這條線既不是探測器零部件導致，也不是一條已知的原子光譜線。我進行了詳細覈實，重新分析數據。我將數據分成不同的子羣，而後與其它探測器獲取的數據進行比對。所有這些努力都無法讓這條線消失。”

在對另外73個星系團的X射線輻射進行分析時，布爾比爾的團隊發現了同樣的光譜信號，從而進一步證實了這條線的存在。分析所用數據由歐洲的XMM-牛頓X射線望遠鏡獲取。在布爾比爾的團隊在線發表論文後一週，荷蘭萊登大學的阿列克謝·博亞斯基領導的研究小組公佈了相同光譜線的證據。在對XMM-牛頓望遠鏡的仙女座星系觀測數據進行分析時，他們發現了證據。此外，他們還證實英仙座星系團的外側存在這樣的譜線。

XMM-牛頓X射線望遠鏡

這條光譜線似乎不來自於任何已知物質類型。爲此，科學家將懷疑的目光投向暗物質。布爾比爾表示：“在我們遞交論文後，理論學家提出了大約60種不同的暗物質類型能夠解釋這條線。一些粒子物理學家甚至開玩笑，不如就把這種粒子稱之爲‘布爾比爾子’。”

能夠產生這種光譜線的候選暗物質包括軸子、惰性中微子和所謂的“模量暗物質”。天文學家認爲需要建造一架新的望遠鏡纔有可能揭開這個謎團。2015年，日本航天機構發射先進的X射線望遠鏡Astro-H，上面裝備了美國宇航局和威斯康星大學科學家共同研製的新型X射線探測器。Astro-H能夠對這條神祕譜線進行更精確的測量。

通過一項新研究，天文學家獲取了暗物質身份的線索。這項新研究或許能夠解釋錢德拉望遠鏡、XMM-牛頓望遠鏡以及日本牽頭的HitomiX射線望遠鏡的觀測發現。如果未來的觀測證實這項研究，意味着科學家在瞭解暗物質特性方面向前邁進一大步。研究領導人、牛津大學的約瑟夫·康倫表示：“我們認爲這個結果要麼極爲重要，要麼一無是處。暗物質是科學界面臨的最大謎團之一。在尋找答案的過程中，我不認爲存在一箇中間點。”

2016年，Hitomi望遠鏡未能在英仙座星系團觀測到3.5千電子伏光譜線。研究論文合著者、牛津大學的弗朗西斯卡·戴指出：“你可能認爲由於Hitomi未能發現3.5千電子伏光譜線，我們對這條線的研究將遭遇失敗，但我並不這麼認爲。與任何精彩的故事一樣，總會出現一些有趣的情節。”

英仙座星系團合成圖像

康倫和同事指出Hitomi望遠鏡獲取的圖像要比錢德拉模糊得多，它的英仙座星系團觀測數據混合了兩個源頭的X射線信號——包裹英仙座星系團中央大星系的炙熱氣體以及這個大星系中央超大質量黑洞附近的X射線輻射。錢德拉望遠鏡能夠將這兩個源頭的影響分離。鑑於此，布爾比爾等人從他們的分析中剔除點源——包括超大質量黑洞附近物質的X射線——進而分離出來自炙熱氣體的X射線信號。

爲了確定這種分離能否起作用，牛津大學的團隊重新分析了錢德拉2009年的觀測數據，最終得出了驚人發現。根據他們發現的證據，3.5千電子伏X射線處於“赤字”狀態，而不是“過剩”。這說明英仙座星系團的某些成員吸收這一特定能量水平的X射線。研究人員對Hitomi的光譜觀測進行模擬，在將這條吸收線加入錢德拉和XMM-牛頓觀測到的炙熱氣體輻射線後，他們並未在合成光譜中發現3.5千電子伏X射線吸收或者輻射證據。這與Hitomi望遠鏡的觀測結果相符。

業餘觀測設備捕捉到的英仙座星系團

這給解釋這種行爲帶來挑戰：對黑洞進行觀測時發現3.5千電子伏X射線吸收；對遠離黑洞的炙熱氣體進行觀測時則發現同樣能量水平的X射線輻射。根據牛津大學的新研究，在對英仙座星系團中央超大質量黑洞周圍區域進行觀測時，科學家發現3.5千電子伏X射線吸收。這說明暗物質粒子同時吸收和輻射X射線。如果新模型是正確的，將爲科學家提供一條確定暗物質特性的途徑。接下來，天文學家需要藉助當前的X射線望遠鏡以及未來建造的望遠鏡對英仙座星系團以及類似星系團進行進一步觀測。

牛津大學研究小組在他們的報告中指出，暗物質粒子可能像擁有兩種能量態的原子，3.5千電子伏則是兩種能量態的分割點。如果是這種情況，在對黑洞進行近距離觀測時可能發現3.5千電子伏X射線吸收；對遠離黑洞的英仙座星系團炙熱氣體進行觀測時，則會發現同等能量水平的X射線輻射。

英仙座星系團與處女座星系團對比圖

研究論文合著者、牛津大學的尼古拉斯·詹尼斯表示：“我們並不是在描繪一幅簡單的圖畫，而是有可能找到一種方式，既能解釋來自英仙座星系團的不尋常X射線信號，同時又能獲得暗物質身份的線索。”

爲了書寫這個故事的下一章，天文學家需要對英仙座星系團以及類似星系團進行進一步觀測。他們需要獲取更多數據以進一步證實3.5千電子伏光譜線的存在，同時排除“出人意料的儀器影響”和“統計學角度的不可能性”。錢德拉望遠鏡、XMM-牛頓望遠鏡以及未來的X射線望遠鏡將繼續對星系團進行觀測，以幫助科學家揭開暗物質的謎團。

翻譯：牛樹軍