暗物質可以將自己偽裝成銀河系中心的黑洞

這種看不見的物質構成了宇宙總質量的大部分，也許能夠同時解釋兩個截然不同的觀察結果。在銀河系中心附近，恆星以快速、混亂的路徑移動，距離銀河系中心僅光小時（通常用於測量太陽系內的距離）。在更遠的地方，恆星和氣體的軌道更加平穩地穿過銀河系廣闊的外部區域。

結果發表於 英國皇家天文學會每月通知 （MNRAS）。

具有挑戰性的黑洞解釋

幾十年來，科學家一直認為人馬座 A* (Sgr A*) 是一個超大質量黑洞，負責一群稱為 S 星的恆星的極端軌道。這些恆星以每秒數千公里的速度繞銀河系中心運行。

新研究對這種解釋提出了質疑。研究小組認為，由費米子（一種輕質亞原子粒子）組成的一種特定形式的暗物質可能會形成一種不尋常的宇宙結構，符合天文學家在銀河系中心觀察到的情況。

暗物質的核心和日冕

根據該模型，這種費米子暗物質會自然地形成一個非常緻密且緊湊的中心核心，周圍環繞著一個更大、更彌散的光暈。中心和光環一起將表現為一個連續的系統。

內核的質量和濃度足以模擬黑洞的引力。這不僅可以解釋 S 星的路徑，還可以解釋附近被塵埃覆蓋的天體（稱為 G 源）的運動，這些天體在銀心附近運行。

來自銀河系外部區域的證據

關鍵證據之一來自歐洲航天局 GAIA DR3 任務的新觀察結果。這項調查精確地繪製了恆星和氣體在銀河系外日冕中的運動方式，以前所未有的細節揭示了銀河系的旋轉曲線。

數據顯示，距離中心較遠的地方，軌道速度會減慢，這種模式被稱為開普勒傾角。研究人員表示，當與銀河系盤和中央核球的已知質量相結合時，這種行為與他們模型中暗物質暈的預測相符。

他們說這加強了對費米子暗物質的解釋。標準冷暗物質模型預測光暈向外延伸，並帶有長冪律尾。相比之下，費米子模型產生更緊湊的光環，具有更緊密的外邊緣。

國際合作

這項研究是由來自多個國家機構的科學家進行的，包括阿根廷拉普拉塔天體物理研究所、國際相對論天體物理網絡中心和意大利國家天體物理研究所、哥倫比亞相對論和引力研究小組以及德國科隆大學物理研究所。

“這是暗物質模型第一次成功地彌合了不同物體如此不同的尺度和軌道，包括現代旋轉曲線和中心恆星數據，”拉普拉塔天體物理研究所的這項研究的合著者卡洛斯·阿奎萊斯博士說。

“我們不僅用暗物體取代了黑洞，我們還提出中心超大質量物體和星系的暗物質暈是同一種持久物質的表現。”

匹配黑洞的陰影

該模型已經跨越了一個重要障礙。在貝利等人之前的一項研究中。 （2024），同樣發表在 MNRAS 上，研究人員表明，當吸積盤將光照射到緻密暗物質核心時，結果是類似陰影的特徵。值得注意的是，這個陰影看起來與人馬座 A* 的事件視界望遠鏡 (EHT) 圖像非常相似。

“這是一個關鍵點，”拉普拉塔天體物理研究所的主要作者瓦倫蒂娜·克雷斯皮說。

“我們的模型不僅解釋了恆星的軌道和星系的旋轉，而且也與著名的‘黑洞陰影’圖像一致。緻密的暗物質核心可以模仿陰影，因為它強烈地彎曲光線，形成一個被明亮環包圍的中心黑暗。”

未來的觀察可能揭示什麼

該團隊使用統計方法直接將費米子暗物質模型與傳統的黑洞解釋進行了比較。雖然中心附近恆星的現有數據尚不能明確支持一種情況而不是另一種情況，但暗物質模型提供了一個框架，可以解釋銀河系中心（中心恆星和陰影）和銀河系更廣泛的結構。

未來的觀察可以幫助解決爭論。智利甚大望遠鏡上的引力干涉儀等儀器的更精確測量，加上對光子環的搜索，可以提供重要的線索。光子環預計會出現在真正的黑洞周圍，但它們不會出現在暗物質的基本模型中。

如果得到證實，這些發現可能會極大地改變科學家們對這個構成銀河系中心的巨大天體的理解。