[科普中國]-中國暗物質粒子探測衛(wèi)星取得重大突破

“悟空”衛(wèi)星的首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進在介紹暗物質粒子探測衛(wèi)星的科學成果。本報記者 沈 慧攝

這是一只勤奮的“猴子”，它每天繞地球飛行15圈，每圈4萬多公里，一天下來“騰云駕霧”60多萬公里；這是一只練就了“火眼金睛”的“猴子”，它肩負著中國人的空間科學夢想，在茫茫宇宙中捕捉神秘的“幽靈”——暗物質

11月27日，暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”騰空700多天后，暗物質衛(wèi)星團隊宣布：“悟空”獲得了目前國際上最精確的TeV電子宇宙射線能譜，并首次直接測量到了該能譜在1TeV（1萬億電子伏特）處的拐折。

“雖然我們現(xiàn)在還不知道這些結果代表著什么，但這些結果出乎我們意料，它有可能將改變我們看待宇宙的方式。”《自然》中國區(qū)科學總監(jiān)印格致表示。在科學家們看來，這或許意味著一個新的天文現(xiàn)象，當然也有可能是來自暗物質的信號。

宇宙“幽靈”暗物質

揭開暗物質之謎將是物理學的革命性突破

仰望璀璨星空，未知永遠存在。如果把21世紀現(xiàn)代物理學和天文學比作“晴朗的天空”，那么暗物質和暗能量，就是天空中的“兩朵烏云”。

上世紀30年代，最早提出暗物質概念的瑞士天文學家弗里茲·茲威基發(fā)現(xiàn)，大星系團中星系運動速度非常快，但星系團中直接可見物質所產(chǎn)生的引力遠不足以將各個星系聚攏在一起。他認為，宇宙中除了可見物質之外，應該還存在著一種“看不見的物質”——暗物質。

最新的宇宙觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙更像一個由3部分組成的大餅，人類目前熟悉的普通物質（也就是標準粒子物理模型能解釋的物質）僅占4.9%，其余95%以上是人類還沒弄清楚的暗物質（26.8%）和暗能量（68.3%）。

究竟什么是暗物質？一個“暗”字道出了本質——“看不見”的物質。這種看不見，不是說在可見光波段肉眼看不見，而是即便使出“十八般武藝”，動用以往熟知的任何探測手段，諸如紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。個中原因很簡單，它不反射光也不發(fā)出電磁波，像幽靈一樣神秘而無法感知。

雖然來無影去無蹤，但科學家們堅信，揭開暗物質之謎，將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學之后，物理學的又一次革命性突破。屆時，人類對物質、時空和宇宙起源等基本問題將會有更深的認識。

如何才能捕捉到這只藏身于宇宙黑暗處的“幽靈”？目前，科學家們主要采用3種探測方法，直接探測、間接探測和對撞機探測。

直接探測，即探測暗物質粒子和普通原子核碰撞所產(chǎn)生的信號，我國四川錦屏地下實驗室就是采取這種方法窺探暗物質。對撞機探測，即在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強子對撞機。間接探測，即通過探測暗物質粒子湮滅后產(chǎn)生的看得見的粒子（普通粒子），來探測看不見的暗物質粒子。暗物質衛(wèi)星“悟空”就屬于此種。

根據(jù)暗物質衛(wèi)星科學應用系統(tǒng)副總工程師、紫金山天文臺研究員范一中的說法，兩個暗物質粒子如果相碰撞并湮滅，可能會產(chǎn)生易于探測的高能正負電子對、高能伽馬射線、質子或反質子流等高能宇宙射線。如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能會發(fā)現(xiàn)暗物質存在的蛛絲馬跡，間接證明暗物質的存在。

“‘悟空’的核心使命就是在宇宙射線和伽馬射線輻射中尋找暗物質粒子存在的證據(jù)，并進行天體物理研究?！敝袊茖W院院長白春禮說。

“火眼金睛”探太空

“悟空”承載著尋出暗物質的重任一飛沖天

就像《西游記》中唐僧從五指山下將孫悟空解救出來，給了他一次新生?，F(xiàn)實中，“悟空”的誕生也與一個人密不可分，他就是暗物質衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進。

10多年前，常進參與了美國一個長周期氣球試驗，對高能電子進行觀測。這次實驗中，他們發(fā)現(xiàn)了一個奇異現(xiàn)象：高能電子流量在3000億至8000億電子伏特能量區(qū)間顯著超出了模型預計的流量。

這些不明高能電子到底是不是暗物質粒子湮滅時所產(chǎn)生的“罪證”，還是來自一些天體，諸如脈沖星（也就是旋轉的中子星）、超新星遺跡等？這在當時的科學界曾引起軒然大波。因為所獲相關數(shù)據(jù)太少，置信度不高，常進也無法確定。但這一發(fā)現(xiàn)讓他從此魂牽夢繞，“如果我能夠做一個更大的探測器，并把它放到衛(wèi)星上，或許就能夠判斷這是不是暗物質湮滅產(chǎn)生的高能電子”。

就這樣，2015年12月17日，承載著尋出暗物質這一“幽靈”重任的“悟空”一飛沖天。按照范一中的解釋，在地球大氣層外的太空，盡管物質非常稀薄，但傳播著一些高能粒子，主要是質子、氦核等，也包含少量電子。暗物質湮滅過程中產(chǎn)生的正、負電子對，有可能在電子宇宙射線的總能譜中產(chǎn)生一些特殊信號。而捕捉這些信號這正是“悟空”的首要科學目標。

“‘悟空’衛(wèi)星采用了中國科學院紫金山天文臺研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現(xiàn)了對高能電子、伽馬射線的經(jīng)濟適用型觀測?！敝锌圃簢铱臻g科學中心主任吳季說。

這確實是個突破。以阿爾法磁譜儀2號為例，它雖然能長時間觀測，但耗資高，造價約為20億美元。相比之下，造價約7億元人民幣的“悟空”，要經(jīng)濟實惠得多。

當然，看得清、測得準才是“悟空”的最大“賣點”。作為目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)和粒子鑒別能力最強的高能粒子探測衛(wèi)星，“悟空”由衛(wèi)星平臺和4個有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器。它們共同構成一個高能粒子望遠鏡，最高可觀測能量是國際空間站“阿爾法磁譜儀”的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。

這是什么概念？常進打了個比方，好比你抬頭去看兩米多高的籃球運動員，不只能看到他身上的細胞，還可以看到分布其中的血小板。

宇宙觀測新窗口

“悟空”的電子宇宙射線能量測量范圍顯著提高

“表現(xiàn)堪稱完美！”提及在太空中遨游了700多天的“悟空”，吳季有些激動。他說，衛(wèi)星在軌接近兩年，到目前為止所有探測器性能和剛發(fā)射時一樣，保持滿分狀態(tài)，在天上沒有浪費一分鐘。

“悟空”以平均每秒60個高能粒子、每天500萬個高能粒子的速度，晝夜不停巡視。它在軌運行的前530天，共采集了約28億高能宇宙射線，其中包含約150萬例25GeV（GeV為十億電子伏特）以上的電子宇宙射線?；谶@些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的TeV電子宇宙射線探測結果，該成果于今年11月30日（北京時間）在國際頂級期刊《Nature》雜志在線發(fā)表。

常進告訴《經(jīng)濟日報》記者，與之前結果相比，“悟空”的電子宇宙射線能量測量范圍比國外的空間探測設備有顯著提高，拓展了人類觀察宇宙的窗口。此前，TeV以上還沒有人在天上準確觀測過。與此同時，測量到的TeV電子的“純凈”程度最高（也就是其中混入的質子數(shù)量最少），能譜的準確性高。

更讓常進驚喜的是，“悟空”首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1TeV處的拐折：能譜在0.9TeV以下流量下降相對平緩，而之上卻陡峭得多。

“之前雖有地面實驗宣稱發(fā)現(xiàn)了拐折跡象，但數(shù)據(jù)誤差實在太大，而今年年初Fermi衛(wèi)星說沒有看到這個拐折?！蚩铡苯訙y量到了這一拐折?！狈兑恢薪忉?，如果暗物質直接湮滅到正、負電子對，那么能譜上會出現(xiàn)一個非常陡的截斷，而天文模型，例如脈沖星給出的能譜則非常的光滑。因此，1TeV以上的能譜精確測量非常關鍵。

“該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定部分（能量低于1TeV）電子宇宙射線是否來自于暗物質起著關鍵性作用?！狈兑恢蟹Q。

出乎常進等人的意料，電子宇宙射線能譜在1.4TeV處似乎存在尖峰狀結構。范一中說，“悟空”目前只收集到了一年多的數(shù)據(jù)，還需要兩到三年的數(shù)據(jù)才能對這一尖峰結構進行更具體判斷。至于它是不是暗物質，更需要詳實數(shù)據(jù)去研究?，F(xiàn)在，他們的任務除了深入發(fā)展分析的方法，就是等待“悟空”收集更多數(shù)據(jù)。

正如偉大科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫曾經(jīng)說過的那樣，在科學探索中能聽到的最激動人心的一句話，即在最重要的新發(fā)現(xiàn)之前出現(xiàn)的短語——不是“尤里卡，我找到了！”而是“嗯，這挺奇怪！”

我們期待，“悟空”刺破蒼穹，用它的火眼金睛，撥開天空中的那朵“烏云”，還我們一個更清晰的宇宙。

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