轴子衰变可能是过量宇宙光学背景的基础吗？

2022-12-15 12:14

安徽

SPHEREx（宇宙历史分光光度计，再电离时代和冰探测器），美国宇航局的一个太空天文台，旨在探索行星系统中宇宙，星系和水的起源。图片来源：NASA喷气推进实验室，公共领域，通过维基共享资源。

宇宙光学背景（COB）是银河系外所有光源发出的可见光。这种微弱的光芒只能用非常精确和复杂的望远镜观察到，可以帮助天体物理学更多地了解宇宙的起源以及我们银河系之外的东西。

去年，在美国不同研究所工作的物理学家发表了迄今为止收集的最精确的COB测量结果，这些测量数据由美国宇航局十多年前发射的行星际太空探测器新视野号航天器收集。这些测量表明，COB比理论预测亮两倍。

约翰霍普金斯大学的研究人员最近进行了一项理论研究，探索这种观察到的过量光可能是由一种假设类型的暗物质粒子（称为轴子）的衰变引起的。在他们发表在《物理评论快报》上的论文中，他们表明质量在8到20eV之间的轴子可以解释新视野号团队测量的过量COB通量。

“Marc Postman是街对面的同事，他是一位令人难以置信的观测宇宙学家，所以当他与Todd Lauer和New Horizons团队的论文出现时，我注意到并阅读了它，”进行这项研究的研究人员之一Marc Kamionkowski告诉 Phys.org。

“他们收集的测量结果是一个很好的例子，巧妙地将强大的天文台重新利用到与其设计目的不同的目的。几年前，我们把这艘不可思议的小宇宙飞船送向冥王星，它做了它应该做的一切，但它没有刹车，而且仍然离太阳越来越远，没有太多事情可做。马克和托德意识到，它可以用来探测——这是第一次——来自宇宙中所有未分辨星系的光学光子的宇宙背景，它做到了。

轴子衰变为两个光子的费曼图。环中的粒子包括所有带电的轻子和夸克。学分：加州理工学院（https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March06/Overduin/Overduin6.html）。

在阅读了Lauer和他的同事的论文后，Kamionkowski意识到，如果他们测量的过量实际上是由于轴子的衰变，那么这有可能使用现有的宇宙学数据得到证实。具体来说，这种过量将在SPHEREx期间以高信噪比被检测到，这是一项计划为期两年的NASA任务，将向太空发送一个近红外空间天文台，以收集新的和潜在的有价值的测量结果。

“我们的计算非常简单，因为它们是我们和许多其他人多年来一直在做的计算类型，”Kamionkowski解释说。“轴子的双光子衰变可能导致宇宙信号的想法在我30多年前还是研究生的时候就已经存在了。我们的工作只是将轴子衰变随时间产生的所有光子相加，这是一个简单的积分。我们必须正确地了解宇宙红移的一些因素，但这是典型宇宙学课上的家庭作业问题。

总体而言，Kamionkowski和他的同事进行的计算强调了使用NASA的SPHEREx卫星收集的未来线强度映射（LIM）测量来确认或反驳轴子暗物质衰变与最近观察到的过量COB之间联系的可能性。

SPHEREx预计将于2025年发射，收集来自约4.5亿个星系的测量近红外信号。约翰霍普金斯大学的研究人员已经发表了一篇后续论文，他们探索了轴子衰变情景与伽马射线对COB的现有限制的一致性。

“美国宇航局的费米望远镜已经从800多个耀变体中获得了伽马射线能量光谱，并且最高能量的伽马射线可以通过与COB光子散射产生电子 - 正电子对来衰减，”Kamionkowski补充道。

“在我们的新研究中，我们模拟了这种COB散射的预期衰减，并通过与费米数据进行比较，能够设置暗物质衰变的COB背景上限，这仍然与从新视野推断的COB过量一致。

“我的学生Gabriela Sato-Polito也一直在与Dan Grin（Haverford College）合作，寻找几个高红移星团的深VLT图像，以寻找暗物质衰变线。这些测量应该使我们能够探测一些，但不是全部，与新视野号过量一致的暗物质衰变参数空间。