尽管暗物质占据了宇宙质量的大部分，但它的真相仍然是未解之谜。由东京都立大学研究生院理学研究科的殷文副教授（2024年3月之前为日本东北大学助教）、东京大学研究生院理学系研究科的松永典之助教、京都产业大学的大坪翔悟研究员、国立天文台的谷口大辅学振（日本学术振兴会）研究员以及株式会社Photocross首席执行官池田优二等人组成的研究团队，利用位于南美洲智利的麦哲伦望远镜的近红外高分辨率光谱仪WINERED，全球首次开展了对约1.8～2.7电子伏特（eV）质量范围内（约为电子质量的20万分之1）的暗物质衰变时释放的近红外光子的探测实验。研究团队仅用了不到4个小时的观测时间，就成功地以世界上最高的灵敏度推算出了暗物质寿命的下限。这一成果为探索eV尺度暗物质这一技术难题开辟了全新道路。相关研究成果已发表在《Physical Review Letters》上。
图：搭载在麦哲伦望远镜上的WINERED（供图：©神山宇宙科学研究所）
暗物质的存在已通过星系的旋转曲线、星系团运动等多种天文观测得到了证实，然而其质量和相互作用在近一百多年来依然未得到解明。粒子理论中，研究学者提出了多种暗物质的候选方案，其中在eV质量领域产生衰变的暗物质假说尤其引人关注。然而，由于宇宙背景辐射光明亮的原因，探索eV级暗物质衰变所产生的微弱光信号极为困难。
殷副教授等人于2022年提出了一种使用高分辨率红外光谱仪，利用连续光即背景光变暗的特性，直接探测或限制暗物质衰变产生的线状光谱的新方法。
此外，研究团队利用近红外高分辨率光谱仪WINERED对暗物质密度较高的矮椭圆星系进行了实际观测实验，成功验证了该方法的有效性。
由东京大学和京都产业大学主导开发的WINERED，具有高透光率（最高50%）和高波长分辨率（波长分辨率可达28000分之1）的性能。在近红外领域，它达到了目前全球最高的灵敏度。研究团队选择暗物质密度较高的矮椭圆星系LeoⅤ和TucanaⅡ作为观测目标，进行了总计约4小时的曝光观测。
在观测中，为了确保光学系统的稳定性，去除大气辉光（如夜光等）和黄道光的影响，研究团队采用了将望远镜交替指向观测目标和暗空的点头法，从而最大程度地去除了背景辐射光。考虑到波长随相对速度变化而变化的多普勒效应，研究团队使用了几个具有不同相对速度的矮星系的数据，有效去除了源于地球的系统性发射、吸收光谱线的影响。
关于银河内暗物质密度分布的理论模型，研究团队使用了包括不确定性模型在内的多种暗物质分布模型，来推导观测坐标附近的暗物质数量密度。利用观测数据中未检测到明显窄线（光谱线）信号的波长范围内的噪声水平，分析得出了暗物质寿命极为严格的下限，以及暗物质与光子耦合强度的严格上限。
结果显示，当质量范围在1.8～2.7eV的暗物质衰变为两颗光子时，使用标准NFW分布，可以得出暗物质的寿命至少在10的25～26次方秒以上。这一数值约为宇宙年龄138亿年的10的7～8次方倍以上。这一结果刷新了基于哈勃太空望远镜数据分析得出的现有上限。
虽然本次公布的数据中并未包含明确信号，但研究团队在少数波长范围内检测到了一些疑似有意义的信号。研究团队今后将计划进行后续跟踪观测和进一步详细分析，以揭示这些信号的真相。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Letters
论文：First Result for Dark Matter Search by WINERED
DOI：10.1103/PhysRevLett.134.051004
