暗物质，一个人类追寻多年的宇宙魅影，最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹！

 

国际权威学术期刊《自然》于北京时间11月30日在线发布，暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测，意味着中国科学家取得了一项开创性发现！

 

 

 

“悟空”获得最精确高能电子宇宙线能谱

 

11月27日，暗物质粒子探测卫星“悟空”腾空700多天后，暗物质卫星团队宣布：“悟空”获得了目前国际上最精确的TeV电子宇宙射线能谱，并首次直接测量到了该能谱在1TeV（1万亿电子伏特）处的拐折。

 

根据人们已知的物理规律，来自宇宙空间的粒子能谱（能谱指的是粒子数目随能量的变化情况）有其特定的分布，一般是随着能量升高其数目逐渐下降。如果能谱出现异常，便意味着可能有新的物理原因。根据目前理论物理学家的推测，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将产生高能电子。那么到空间去精确地探测高能电子能谱，就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。

 

“悟空”的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，并进行天体物理研究。

 

经过530天在轨运行的观测积累，“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。此外，“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。

 

 

 

“悟空”的发现意味着什么？

 

对于公众普遍关心的暗物质探测话题，“悟空”的这一发现意味着什么？

 

“虽然我们现在还不知道这些结果代表着什么，但是这些结果出乎我们意料，它有可能将改变我们看待宇宙的方式。”自然科研中国区科学总监印格致表示。在科学家们看来，这或许意味着一个新的天文现象。

 

这是否意味着已经发现了暗物质？对此，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进指出：

 

目前的这个探测结果还不能确认我们已经发现暗物质。

 

目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦在~1.4 TeV处存在的能谱精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

 

据悉，这一重大成果已于2017年11月30日（北京时间）在Nature杂志在线发表。

 

常进告诉记者，再经过一年多时间的持续观测和数据积累，有望于明年年底发布“悟空”的第二批科研成果。

 

暗物质，有多神秘？

 

仰望璀璨星空，未知永远存在。如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗的天空”，那么暗物质和暗能量，就是天空中的“两朵乌云”。

 

上世纪30年代，最早提出暗物质概念的瑞士天文学家弗里兹·兹威基发现，大星系团中星系运动速度非常快，但星系团中直接可见的物质所产生的引力远不足以将各个星系聚拢在一起。他认为，宇宙中除了可见物质之外，应该还存在着一种“看不见的物质”——暗物质。

 

最新的宇宙观察发现，宇宙更像一个三部分组成的大饼，人类目前熟悉的普通物质（也就是标准粒子物理模型能解释的物质）仅占4.9%，其余95%以上是人类还没弄清楚的暗物质（26.8%）和暗能量（68.3%）。

 

 

 

究竟什么是暗物质？一个“暗”字道出了本质，“看不见”的物质。这种看不见，不是说在可见光波段肉眼看不见，而是即便使出“十八般武艺”，动用以往熟知的任何探测手段，诸如红外线、紫外线、X射线等，都看不到它。个中原因很简单，它不反射光也不发出电磁波，像幽灵一样神秘而无法感知。

 

虽然来无影去无踪，但科学家们坚信，揭开暗物质之谜，将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，物理学的又一次革命性突破。届时，人类对物质、时空和宇宙的起源等基本问题将会有更深的认识。

 

如何找到暗物质？

 

如何才能捕捉到这只藏身于宇宙黑暗处的“幽灵”？目前科学家们主要采用3种探测方法：

 

直接探测，即探测暗物质粒子和普通原子核碰撞所产生的信号，我国四川锦屏地下实验室就是采取这种方法窥探暗物质。

 

间接探测，即通过探测暗物质粒子湮灭后产生的看得见的粒子（普通粒子），来探测看不见的暗物质粒子。暗物质卫星“悟空”就属于此种。

 

对撞机探测，即在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来，如欧洲核子中心的大型强子对撞机。

 

 

 

根据暗物质卫星科学应用系统副总工程师、紫金山天文台研究员范一中的说法，两个暗物质粒子如果相碰撞并湮灭，可能会产生易于探测的高能正负电子对、高能伽马射线、质子或反质子流等高能宇宙射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能会发现暗物质存在的蛛丝马迹，从而间接证明暗物质的存在。

 

“‘悟空’的核心使命就是在宇宙射线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，并进行天体物理研究。”中国科学院院长白春礼说。

 

“悟空”有多牛？

 

“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，它最早由常进于2005年提出。

 

10多年前，常进参与了美国的一个长周期气球试验，对高能电子进行观测。这次实验中，他们发现了一个奇异现象：高能电子流量在3000—8000 亿电子伏特能量区间显著超出了模型预计的流量。

 

这些不明高能电子到底是不是暗物质粒子湮灭时所产生的“罪证”？这一发现让常进从此魂牵梦绕，“如果我能够做一个更大的探测器，并把它放到卫星上，或许就能够判断这是不是暗物质湮灭产生的高能电子。”

 

就这样，2015年12月17日，承载着寻出暗物质这一“妖魔鬼怪”重任的“悟空”一飞冲天。按照范一中的解释，在地球大气层外的太空，尽管物质非常稀薄，但传播着一些高能的粒子，主要是质子、氦核等，也包含少量的电子。暗物质湮灭过程中产生的正、负电子对，有可能在电子宇宙射线的总能谱中产生一些特殊信号。而捕捉这些信号这正是“悟空”的首要科学目标。

 

 

 

“‘悟空’卫星采用了中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法，实现了对高能电子、伽马射线的经济适用型观测。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。

 

这确实是个突破。以阿尔法磁谱仪2号为例，虽然能够长时间观测，但耗资高，造价大约是20亿美元。相比之下，造价约7亿元人民币的“悟空”，要经济实惠得多。

 

当然，看得清、测得准才是“悟空”最大的“卖点”。作为目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优和粒子鉴别能力最强的高能粒子探测卫星，“悟空”由卫星平台和4个有效载荷组成，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器。它们共同构成一个高能粒子望远镜，最高可观测能量是国际空间站“阿尔法磁谱仪”的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

 

“表现堪称完美！”提及已在太空中遨游已700多天的“悟空”，吴季有些激动。他说，卫星在轨接近两年，到目前为止所有探测器性能和刚发射时一样，保持一百分的状态，在天上没有浪费一分钟。