[论文解读] Discovery of an Ionizing Radiation Field in the Universe

R. C. Henry, Jayant Murthy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

该论文提出，宇宙弥漫性紫外背景辐射（UVB）的显著部分并非如传统观点所认为的来自尘埃散射的星光，而是来自未知来源——可能是暗物质粒子缓慢衰变所致——基于对旅行者号探测器紫外光谱的重新分析。关键发现是，旅行者1号和2号的光谱显示在912 Å以下紫外亮度出现强烈且无法解释的上升，尤其是在与暗物质聚集区对齐的方向上，表明可能存在一种新的辐射场，可能曾使宇宙重新电离。

ABSTRACT

We draw attention to observational evidence indicating that a substantial fraction of the well-known cosmic celestial diffuse ultraviolet background radiation field is actually due not to dust-scattered starlight, but rather---considering its spectral character at most locations in the sky---has an unknown physical origin. We arrive at this conclusion from re-examination of spectra of the diffuse ultraviolet background that were obtained---long ago---using the ultraviolet spectrometers aboard the two Voyager spacecraft, which were located far out in our solar system, and at very different locations. As there is neither a reasonable nor even an unreasonable conventional astrophysical source for this newly-identified fraction of the radiation, we are led to speculate that the photons that we observe have their origin in the very slow decay of the particles that make up the ubiquitous dark matter, which we know envelopes our Galaxy. Whether or not that actually is the source, this new radiation field extends somewhat below 912 Å, so we have found, at last, the radiation that re-ionized the universe.

研究动机与目标

• 重新表达并重新分析历史性的旅行者号紫外光谱仪数据，以重新评估宇宙弥漫性紫外背景（UVB）的起源。
• 挑战将UVB解释为银河系邻近区域O型和B型恒星尘埃散射星光的传统天体物理观点。
• 研究在912 Å以下观测到的UVB上升是否可由新物理源（如暗物质粒子的缓慢衰变）解释。
• 提出利用新视野号Alice紫外光谱仪进行明确测试，以区分散射星光与本征辐射。
• 将UVB的空间分布与通过引力动力学推断的暗物质分布进行关联。

提出的方法

• 对旅行者1号和2号紫外光谱仪获取的弥漫紫外背景光谱进行重新分析，这些仪器在远离太阳且位置不同的区域运行。
• 将观测光谱与早期型恒星（25,000 K）的模型光谱进行比较，将模型光谱降采样至旅行者仪器的38 Å分辨率，以检验尘埃散射假说。
• 利用新视野号上的Alice紫外光谱仪（10 Å分辨率）作为决定性测试，以排除尘埃散射星光的可能性。
• 利用430组旅行者光谱对全天紫外亮度进行测绘，以识别与暗物质位置相关的空间模式。
• 对旅行者1号和2号的数据进行交叉验证，以确认一致性并排除仪器误差。
• 使用银道坐标（l, b）将紫外亮度峰值与已知暗物质聚集区（特别是银心附近及l ≈ 190°, b ≈ +40°处）进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的在912 Å以下的弥漫紫外背景上升是否与O型星的尘埃散射星光一致？
• RQ2 UVB的光谱形状与空间分布能否由星际尘埃散射的常规天体物理模型解释？
• RQ3 UVB是否表现出与银河系中暗物质分布的空间相关性？
• RQ4 UVB的起源是否可能与暗物质粒子衰变有关，其发射光子波长范围为900–1400 Å？
• RQ5 新视野号Alice光谱仪能否明确区分UVB中的散射星光与本征辐射？

主要发现

• 旅行者1号和2号的光谱显示，在912 Å以下紫外亮度出现强烈且无法解释的上升，部分光谱在950–1150 Å波段的亮度超过33,000 photons cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹ Å⁻¹。
• 旅行者1号观测编号429（l = 348.7°, b = 51.9°）的光谱无法拟合为尘埃散射星光模型，该区域的散射假说被排除。
• 在l ≈ 190°, b ≈ +40°处观测到强烈的紫外亮度集中，该位置与已知暗物质聚集区一致，提示存在物理关联。
• UVB信号在旅行者1号和2号之间保持一致，证实其为真实的天体物理信号，而非仪器误差。
• UVB光谱在接近莱曼-α线（1216 Å）时仍持续上升，表明存在无法用标准散射模型解释的发射。
• 作者推断，该辐射场可能是长期寻找的使宇宙重新电离的源头，因其延伸至912 Å的莱曼限以下。