[科普中国]-中国暗物质粒子探测卫星取得重大突破

“悟空”卫星的首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进在介绍暗物质粒子探测卫星的科学成果。本报记者 沈 慧摄

这是一只勤奋的“猴子”，它每天绕地球飞行15圈，每圈4万多公里，一天下来“腾云驾雾”60多万公里；这是一只练就了“火眼金睛”的“猴子”，它肩负着中国人的空间科学梦想，在茫茫宇宙中捕捉神秘的“幽灵”——暗物质

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。

“虽然我们现在还不知道这些结果代表着什么，但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》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，当然也有可能是来自暗物质的信号。

宇宙“幽灵”暗物质

揭开暗物质之谜将是物理学的革命性突破

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，宇宙更像一个由3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、时空和宇宙起源等基本问题将会有更深的认识。

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、间接探测和对撞机探测。

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。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。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。

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，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。

“火眼金睛”探太空

“悟空”承载着寻出暗物质的重任一飞冲天

就像《西游记》中唐僧从五指山下将孙悟空解救出来，给了他一次新生。现实中，“悟空”的诞生也与一个人密不可分，他就是暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进。

10多年前，常进参与了美国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3000亿至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”，还是来自一些天体，诸如脉冲星（也就是旋转的中子星）、超新星遗迹等？这在当时的科学界曾引起轩然大波。因为所获相关数据太少，置信度不高，常进也无法确定。但这一发现让他从此魂牵梦绕，“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“幽灵”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，但传播着一些高能粒子，主要是质子、氦核等，也包含少量电子。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，它虽然能长时间观测，但耗资高，造价约为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”的最大“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。

这是什么概念？常进打了个比方，好比你抬头去看两米多高的篮球运动员，不只能看到他身上的细胞，还可以看到分布其中的血小板。

宇宙观测新窗口

“悟空”的电子宇宙射线能量测量范围显著提高

“表现堪称完美！”提及在太空中遨游了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，保持满分状态，在天上没有浪费一分钟。

“悟空”以平均每秒60个高能粒子、每天500万个高能粒子的速度，昼夜不停巡视。它在轨运行的前530天，共采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含约150万例25GeV（GeV为十亿电子伏特）以上的电子宇宙射线。基于这些数据，科研人员成功获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果，该成果于今年11月30日（北京时间）在国际顶级期刊《Nature》杂志在线发表。

常进告诉《经济日报》记者，与之前结果相比，“悟空”的电子宇宙射线能量测量范围比国外的空间探测设备有显著提高，拓展了人类观察宇宙的窗口。此前，TeV以上还没有人在天上准确观测过。与此同时，测量到的TeV电子的“纯净”程度最高（也就是其中混入的质子数量最少），能谱的准确性高。

更让常进惊喜的是，“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的拐折：能谱在0.9TeV以下流量下降相对平缓，而之上却陡峭得多。

“之前虽有地面实验宣称发现了拐折迹象，但数据误差实在太大，而今年年初Fermi卫星说没有看到这个拐折。‘悟空’直接测量到了这一拐折。”范一中解释，如果暗物质直接湮灭到正、负电子对，那么能谱上会出现一个非常陡的截断，而天文模型，例如脉冲星给出的能谱则非常的光滑。因此，1TeV以上的能谱精确测量非常关键。

“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1TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。”范一中称。

出乎常进等人的意料，电子宇宙射线能谱在1.4TeV处似乎存在尖峰状结构。范一中说，“悟空”目前只收集到了一年多的数据，还需要两到三年的数据才能对这一尖峰结构进行更具体判断。至于它是不是暗物质，更需要详实数据去研究。现在，他们的任务除了深入发展分析的方法，就是等待“悟空”收集更多数据。

正如伟大科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫曾经说过的那样，在科学探索中能听到的最激动人心的一句话，即在最重要的新发现之前出现的短语——不是“尤里卡，我找到了！”而是“嗯，这挺奇怪！”

我们期待，“悟空”刺破苍穹，用它的火眼金睛，拨开天空中的那朵“乌云”，还我们一个更清晰的宇宙。

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