2008年人们对在外太空间接探测暗物质的前景如此兴奋还有另一个原因。6月11日，NASA 发射了费米伽马射线空间望远镜——以意大利裔美国物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）的名字命名。凭借其覆盖近20%天空的巨大视野，费米的大面积望远镜或许能够探测到预期的来自银河系中心暗物质的伽马射线的光。

当然，暗物质是暗的，不应该发出任何电磁辐射。但是暗物质的湮灭确实会产生高能光子，要么直接产生（同样，E=mc2），要么作为最终产生粒子–反粒子对的复杂衰变链的一部分。由于银河系中暗物质的密度预计在银河系中心为最高，你会期望从那个方向产生更强的湮灭信号。

急于了解费米结果的科学家中，有一位是哈佛–史密森尼天体物理中心的道格拉斯·芬克贝纳（DouglasFinkbeiner）。现在是麻省理工学院物理学助理教授的特蕾西·斯拉蒂尔（TracySlatyer）当时是芬克贝纳的一位博士生。她回想起，费米团队于 2009 年 8 月 25 日宣布他们将公开发布第一年的数据后，芬克贝纳变得非常迫不及待。斯拉蒂尔说：“道格找到了将提供完整数据集的网页的地址，他不断地刷新网页，以确保我们能够尽快开始分析。”于是，这支哈佛大学的团队在潜在竞争对手还没有意识到数据集的存在时就已经开始了下载。

与芬克贝纳、博士后格雷格·多布勒（GregDobler）以及纽约大学物理学家伊利亚斯·乔里斯（IliasCholis）和尼尔·韦纳（NealWeiner）合作，斯拉蒂尔确实发现了来自银河系中心的过量伽马射线，他们称之为“费米雾”。尽管他们于10月26日发表在arXiv预印本服务器上的描述这一发现的论文只是非常简短地提到了这种可能性，但暗物质一直在斯拉蒂尔的脑海中盘旋。的确，伽马射线过量也可能是由于一个被称为“逆康普顿散射”的过程，即光子被相对论性粒子踢到非常高的能量。但即使如此，这些粒子也必须从某个地方产生—它们也可能是暗物质湮灭产生的电子和正电子。

费米雾的论文最终于2010年7月发表在《天体物理杂志》上。而那个时候，这个故事变得更加激动人心了。最初，费米雾的形状看起来有点儿像鸡蛋，但在2010年年初，芬克贝纳团队在对更为大量的卫星数据进行更加复杂的分析时，意识到这些过量的伽马射线的形状更像数字8，一个竖着的双扭线。它看上去就像银河系中心向太空喷出两个巨大的气泡，沿着与其旋转轴相反的方向。

芬克贝纳、斯拉蒂尔以及博士生苏萌在5月29日发布在arXiv预印本服务器上的一篇论文中宣布，他们发现了“费米气泡”。哈佛大学于11月9日发布新闻稿时，配上了一幅令人印象深刻的巨大气泡的艺术渲染图，这个故事登上了世界各地的报纸。该论文最终发表在12月1日的《天体物理杂志》上。

银河系的核心到底发生了什么？什么机制可能在我们银河系中心平面的上方和下方产生两个巨大的、跨度约2.5万光年的伽马射线发射气泡？额外的观测结果强烈表明，这些气泡是快速喷流的结果，可能是几百万年前银河系中心发生的一些爆发事件造成的。喷射物中的高能电子和其他带电粒子可以通过上述的逆康普顿散射过程产生伽马射线。

斯拉蒂尔得知这些气泡可能不是解开重大谜团的钥匙时，起初有点儿失望。她说：“如果费米气泡可以用暗物质来解释，那将会非常有趣。”话又说回来，如果你在费米数据中寻找一个难以捉摸的可能不存在的暗物质湮灭信号，你真的需要了解所有其他产生伽马射线的机制。这三位研究人员写道：“我们必须了解这些气泡，才可以把对银河系内部弥散的伽马射线发射的测量用作暗物质物理学的探测器。”

芝加哥大学的丹·胡珀非常同意这一点。他对费米数据的独立分析显示，在银河系中心周围一个更小的、大致呈球形的区域内，存在额外过量的较低能量（只有几个GeV）的伽马射线。伽马射线的这种进一步集中显然与气泡无关，可能是由不同的机制产生的。在说服斯拉蒂尔相信其结果的有效性之后，这两位研究人员联手，并于 2013 年在仅线上出版的期刊《黑暗宇宙物理学》上发表了一篇详细的论文。

这些过量的低能伽马射线可能是暗物质湮灭造成的吗？还是说，那只是一厢情愿的想法？大量的毫秒脉冲星——自转速度非常快、每秒完成数百次旋转的脉冲星——也可能是原因，但这些奇异的天体怎么会在银河系中心平面上方和下方如此远、离银心远达一万光年的地方出现？

这一问题仍未得到解决。有许多反对暗物质解释的有力论据，但最近，也有反对这些论点的有力论据。2017 年前后，毫秒脉冲星被普遍视为主要的候选解释。但两年后，在《物理评论快报》的一篇论文中，斯拉蒂尔和麻省理工学院的同事丽贝卡·里恩（RebeccaLeane）得出结论：“暗物质可能最终为银河系中心过量的伽马射线提供了主导性的贡献。”

脉冲星还是暗物质？帮助建造AMS–02硅跟踪器的日内瓦大学天体粒子物理学家梅赛德斯·帕尼恰（MercedesPaniccia）说，正是这个问题让国际阿尔法磁谱仪合作组织的理论学家们保持着清醒。当我计划在2019年6月访问CERN时，我曾希望在那里见到AMS首席研究员丁肇中，他通常在这个欧洲粒子物理实验室度过大部分时间。但显然他要去参加某个会议。当我与帕尼恰联系时，她告诉我：“他很难捉到，但我可以带你四处看看。来AMS POCC见我吧，就在946号楼。”

离CERN大门几千米处是有效载荷操作控制中心（POCC），它拥有一个永久性的高科技科学中心。物理学家和技术人员在房间两边的计算机控制台上工作。墙上巨大的屏幕提供来自国际空间站以及位于休斯敦的NASA约翰逊航天中心的任务控制中心的实时视图。一张巨大的数字版世界地图记录着空间站的实时位置。而我的视线无法从地图下方的大型显示屏上移开，上面显示了AMS–02自开始运行以来检测到的宇宙射线数量。在我停留的半个小时里，国际空间站从非洲上空飞到了太平洋上空，而发光的红色数字从139 767 027 021 跳到了 139 768 372 421。“每秒大约有600个事件，”梅赛德斯说，“其中大部分是质子。电子排在第二，但我们也探测到了许多较重的原子核、反质子和正电子。”其中一些可能是暗物质湮灭的结果，我不禁想道，又看了一眼数字计数器。

中央会议桌的一端是一个写着“丁肇中教授”的大铭牌和一把巨大的真皮办公椅。“我不确定他的行踪，”梅赛德斯说，“他特别忙。”

回到家后，我尝试通过至少三个不同的电子邮件地址联系丁肇中，但都没有得到回复。“可能很难预约采访，”阿姆斯特丹的暗物质研究员苏珊·巴塞格梅兹（SuzanBaşeğmez）告诉我，“你知道的，他是诺贝尔奖得主。”丁肇中在麻省理工学院的私人助理克里斯蒂娜·提图斯也给我带来了坏消息：在我计划的2020年1月的东海岸之行期间，他将会出差。我几乎要放弃了。

最后，2020年9月，在又一封电子邮件请求之后，丁肇中回复了我。好的，我们可以在那个月的晚些时候进行Zoom采访。那天是我结婚 40周年纪念日，但我不介意。我预计采访会是一个约15分钟的简短谈话，我准备了一份简短的问题列表。然而，这位84岁的物理学家请我听了一场90分钟的私人讲座，并辅以数十张幻灯片。他用特有的柔和声音谈论着粒子物理学、反物质、探测器技术和政治。他还分享了个人逸事，比如在AMS–02的飞行因哥伦比亚号事故而取消后，他几乎对自己的项目失去了所有信心。还有，当他赶往肯尼迪航天中心观看粒子探测器的发射时，他是如何因超速而被罚款了245 美元。又或者，在奋进号起飞前他有多么担心会出问题—那样的话，这些年所有的努力就都白费了。

现在，距离丁肇中首次提出在太空中建立一个大型粒子探测器的想法已经过去了25年，他们已经捕获了超过1500亿个宇宙射线粒子，包括几百万个正电子，但他仍然不愿意宣称发现了湮灭的暗物质。当被问及他是否认为暗物质可以解释AMS的数据时，他回答说：“我的想法是什么并没有意义。这些数据提供了强有力的暗示，但还称不上是一个证据。”

诚然，能量在3~1000GeV之间的正电子比已知的天体物理过程所能解释的要多得多，而且其能量分布与规模较小的PAMELA实验数据不完全一致，该实验已于2016年停止运行。但是AMS的结果并没有为衰变的暗物质提供确切的证据：原则上，观测到的伽马射线过量（首次被描述是在2013年，于《物理评论快报》）可能是由我们银河系附近相对少量的高能脉冲星造成的——不幸的是，我们无法轻易追踪带电粒子的起源点。

话又说回来，AMS–02也发现了类似的过量反质子，而脉冲星的能量不足以产生这些质量更大的反粒子。如果正电子和反质子是由两种不同的机制产生的，那么它们表现出相同的能量谱似乎有点儿不太可能——如果不是大自然的阴谋的话。反之，如果这两种类型的反物质粒子都是暗物质湮灭的结果，你会期望它们表现出大体相似的行为，而这就是AMS–02数据所显示的。

到底是脉冲星还是暗物质？AMS–02有着更长的运行周期，收集到了更多的宇宙射线数据，以及相应的，更多数量的超高能反物质粒子，最终或许可以解决这个问题。这就是为什么丁肇中对航天员卢卡·帕米塔诺和德鲁·摩根在2019年11月中旬和2020年1月下旬之间成功开展4 次6个小时的太空行走感到如此高兴。多年来，AMS 冷却系统的4个泵中有3个已经坏了，在一系列具有挑战性和耗时的太空维修中，4个泵全都被替换成了新的重型泵，丁肇中在休斯敦任务控制中心密切关注着这一过程。而在第四次也是最后一次太空行走中，帕米塔诺修好了其中一个冷却管的泄漏，他在2月3日的推特中开玩笑地称之为“污水管”。

国际空间站将至少运行到2028年。丁肇中认为到那时，AMS–02将探测到足够多的高能反物质粒子，从而有可能将这些数据与预测的银河系中心暗物质湮灭的能量谱进行比较。与此同时，科学家在讨论一个更大、更灵敏的太空宇宙射线探测器，暂定名为AMS–100，可能会在 2040年左右发射。如果实现的话，我预测它将以丁肇中的名字命名。

特蕾西·斯拉蒂尔和丹·胡珀都认为，来自银河系核心的伽马射线过量之谜可能会在几年内解决。他们对南非的MeerKAT 阵列和未来的平方千米阵（SKA）等大型射电观测站尤其抱有很高的期望。“如果银河系中心真的存在大量的高能毫秒脉冲星，”斯拉蒂尔说，“用SKA 进行的深度射电巡天应该能够找到数百个。”根据胡珀的说法，脉冲星专家只能通过假设存在高达300万个单独的脉冲星源来解释伽马射线观测。他说：“如果SKA 没有发现任何东西，我们就可以有把握地排除这种解释。”

但是，这并不一定会揭示AMS–02所观测到的过量高能正电子和反质子的来源—根据斯拉蒂尔的说法，它们仍然可能是由附近的脉冲星产生的。她说：“所有这些过剩的能量都来自同一个暗物质源是不太可能的。”

来自外太空的信使在不断地以宇宙射线粒子和高能伽马光子的形式向我们这颗小星球倾泻。在这场星际雪崩的某个地方，科学家可能会找到间接探测暗物质的关键。但就目前的状况而言，依然是大海捞针。

本文摘自《宇宙中的大象》一书，霍弗特·席林（Govert Schilling）著，胡奂晨翻译，中信出版社2023年11月出版，《赛先生》获授权在微信公众号平台首发。

《宇宙中的大象》

霍弗特·席林 著

胡奂晨 译

中信出版社

2023年11月出版