銀河系外部的旋轉(zhuǎn)速度比理論計(jì)算值要高，暗示存在大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。
圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
它看不見摸不著，質(zhì)量卻是宇宙中可見物質(zhì)的5倍;它不發(fā)光不發(fā)熱，卻影響著宇宙的歸宿。它是暗物質(zhì)。
為了尋找暗物質(zhì)，科學(xué)家開展了許多地面和空間探測(cè)項(xiàng)目。2015年12月17日，我國(guó)首顆天文衛(wèi)星悟空號(hào)(DAMPE)發(fā)射升空，加入了尋找暗物質(zhì)的隊(duì)伍。倫敦時(shí)間11月29日，悟空號(hào)交出了在太空中“偵察”近2年的成果——根據(jù)在軌前530天的觀測(cè)，描繪出迄今最精確的高能電子宇宙射線能譜，找到了暗物質(zhì)可能存在的新證據(jù)。
上天入地尋找暗物質(zhì)蹤跡
天文學(xué)上有兩類測(cè)量天體質(zhì)量的方法：光學(xué)方法和力學(xué)方法。光學(xué)方法測(cè)量的是天體的發(fā)光強(qiáng)度，由光強(qiáng)可以計(jì)算出發(fā)光物體的總質(zhì)量;力學(xué)方法測(cè)量的是產(chǎn)生引力的物質(zhì)總質(zhì)量，這類方法包括旋轉(zhuǎn)曲線、引力透鏡等。
以旋轉(zhuǎn)曲線為例，一個(gè)天體環(huán)繞另外一個(gè)天體旋轉(zhuǎn)的速度正比于中心天體的質(zhì)量，質(zhì)量越大，旋轉(zhuǎn)速度越大。所以可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量來(lái)計(jì)算中心天體的質(zhì)量。這種方法得到的質(zhì)量是引力質(zhì)量，也就是天體的全部質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，力學(xué)方法測(cè)到的質(zhì)量總是大于光學(xué)方法測(cè)到的質(zhì)量。這表明宇宙中的物質(zhì)并不是都發(fā)光的，科學(xué)家把這部分不發(fā)光的物質(zhì)叫做暗物質(zhì)。天文觀測(cè)表明，宇宙中的暗物質(zhì)是普通物質(zhì)的5倍多。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)是當(dāng)今的前沿?zé)狳c(diǎn)課題，相關(guān)領(lǐng)域的突破將大大推進(jìn)我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，包括宇宙的歸宿是什么。
據(jù)估計(jì)，平均1立方米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子。然而，要探測(cè)到它們并不容易。暗物質(zhì)不帶電荷,也沒(méi)有電磁相互作用,能毫無(wú)阻礙地穿透障礙物,不著痕跡地從身邊飛走。為了找到它們的“真身”科學(xué)家費(fèi)盡了腦筋。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有三種方法也許能找到暗物質(zhì)的蹤跡：直接探測(cè)、間接探測(cè)和對(duì)撞機(jī)探測(cè)。由于運(yùn)動(dòng)的暗物質(zhì)與靜止的原子核會(huì)發(fā)生碰撞，并將帶電的原子核撞飛，直接探測(cè)的目標(biāo)就是這些無(wú)緣無(wú)故被撞飛的原子核。大氣中的帶電粒子會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)信號(hào)，所以這類實(shí)驗(yàn)通常需要在地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，在這里進(jìn)行的CDEX、PandaX等試驗(yàn)已取得重要的科學(xué)成果。
間接探測(cè)測(cè)量的是暗物質(zhì)粒子的湮滅。世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì),比如電子的反物質(zhì)是帶正電的正電子。當(dāng)物質(zhì)與它們的反物質(zhì)相遇時(shí),兩者會(huì)被摧毀，并產(chǎn)生巨大的能量。這個(gè)過(guò)程就叫做湮滅。作為一類特殊的物質(zhì)，暗物質(zhì)的反物質(zhì)就是它本身。因此如果兩個(gè)暗物質(zhì)粒子相遇時(shí)，它們會(huì)因碰撞而消失，產(chǎn)生高能光子、中微子和其他帶電高能粒子，如正電子、反質(zhì)子。這些粒子會(huì)變成宇宙線在宇宙中高速穿梭。悟空衛(wèi)星等宇宙線探測(cè)器就是通過(guò)探測(cè)這些特殊粒子，尋找暗物質(zhì)的蹤跡。
對(duì)撞機(jī)上的高能粒子束對(duì)撞后也可能會(huì)產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，而這些暗物質(zhì)粒子攜帶的能量無(wú)法被對(duì)撞機(jī)的探測(cè)器探測(cè)到，表現(xiàn)在能譜上就是能量動(dòng)量的“消失”。這就是對(duì)撞機(jī)探測(cè)的原理。這三種探測(cè)方法互為補(bǔ)充，相互印證。
火眼金睛瞄準(zhǔn)宇宙線粒子
悟空號(hào)本質(zhì)上是一個(gè)宇宙線探測(cè)器。它通過(guò)收集宇宙線的信息來(lái)尋找暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。悟空號(hào)搭載的高能宇宙線探測(cè)器由四個(gè)子探測(cè)器組成，分別是塑閃陣列探測(cè)器、硅徑跡探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器。這四個(gè)探測(cè)器就是悟空號(hào)的“火眼金睛”，可以精確測(cè)量宇宙線粒子攜帶的能量，入射角度等信息。其觀測(cè)對(duì)象包括宇宙線正負(fù)電子、伽馬射線、質(zhì)子、氦核以及更重的核素宇宙線。
悟空號(hào)的特點(diǎn)是研發(fā)成本相對(duì)較低，但性能先進(jìn)。國(guó)際上的空間暗物質(zhì)探測(cè)器阿爾法磁譜儀(AMS-02)、費(fèi)米衛(wèi)星(Fermi-LAT)分別耗資20億、7億美金，悟空的全部費(fèi)用僅僅是AMS-02的二十分之一。悟空號(hào)采用的是紫金
山天文臺(tái)研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測(cè)技術(shù)方法，使它在高能電子、伽馬射線的能量測(cè)量準(zhǔn)確度以及區(qū)分不同種類粒子兩方面領(lǐng)先于世界同類探測(cè)器。這些優(yōu)勢(shì)賦予悟空號(hào)尋找尖銳能譜信號(hào)的強(qiáng)大能力，第一批數(shù)據(jù)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。
悟空號(hào)于2015年12月17日發(fā)射成功。衛(wèi)星在軌運(yùn)行的前530天共采集了約28億個(gè)高能宇宙射線事例，其中包含約150萬(wàn)個(gè)25GeV(1 GeV=10億電子伏特)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(guó)際上精度最高的電子宇宙射線探測(cè)結(jié)果。
精確能譜或揭開暗物質(zhì)面紗
悟空號(hào)如何尋找暗物質(zhì)?
超新星爆發(fā)等劇烈的天體物理過(guò)程會(huì)形成高能電子。這些電子在宇宙中穿梭、互相碰撞、交換能量，形成了電子宇宙線背景�？茖W(xué)家將宇宙中這些電子的數(shù)量隨能量的變化畫成一張圖，并將其稱作能譜。根據(jù)對(duì)宇宙線加速機(jī)制的理論計(jì)算，可以得到一條由常規(guī)宇宙射線源產(chǎn)生的背景曲線。這條曲線較為平滑，在較低能部分電子數(shù)量較多，隨著能量的升高，電子數(shù)量快速減少。而悟空號(hào)希望探測(cè)到的，則是疊加在這條曲線之上的“額外”宇宙射線粒子，這些粒子正是來(lái)自暗物質(zhì)湮滅。
其實(shí)，之前已經(jīng)有空間探測(cè)器找到了疑似暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。比如AMS-02和Fermi-LAT都發(fā)現(xiàn)，宇宙中特定能量段的電子會(huì)有所增多。表現(xiàn)在能譜上，則是宇宙線能譜曲線不再單調(diào)下降，而是疊加了一個(gè)“鼓包”。不過(guò)遺憾的是，它們只測(cè)量到了這個(gè)小“鼓包”的上升部分，也就是怎么鼓起來(lái)的部分，沒(méi)有測(cè)量到這個(gè)“鼓包”是怎樣下降的。
相對(duì)于AMS-02、Fermi-LAT等探測(cè)器，悟空號(hào)對(duì)電子宇宙射線的能量測(cè)量范圍有顯著提高。此外悟空號(hào)區(qū)分粒子種類，尤其是把電子事例從大量的質(zhì)子事例中區(qū)分出來(lái)的能力非常強(qiáng)，讓悟空號(hào)能探測(cè)到最為純凈和準(zhǔn)確的高能電子能譜。
在尋找暗物質(zhì)的征途中，悟空號(hào)果然不負(fù)眾望。它不僅探測(cè)到與AMS-02和Fermi-LAT類似的能譜上升過(guò)程，還清楚地看到電子宇宙射線能譜在1TeV(1萬(wàn)億電子伏特)處開始下降，也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整個(gè)過(guò)程。這對(duì)于理解這些特殊電子的起源非常重要。因?yàn)榭茖W(xué)家已經(jīng)構(gòu)建了多種模型來(lái)描述暗物質(zhì)的行為。這些模型預(yù)言了科學(xué)家觀測(cè)到的宇宙線能譜“鼓包”：相似的能譜上升過(guò)程、各異的能譜下降過(guò)程。換句話說(shuō)，只有精確探測(cè)到“鼓包”的下降過(guò)程，才能確定哪個(gè)模型更加接近暗物質(zhì)粒子的本質(zhì)�？茖W(xué)家接下來(lái)要做的，便是根據(jù)“鼓包”的下降過(guò)程，分析其物理本質(zhì)到底是什么。
此外，悟空號(hào)的觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，能量為1.4 TeV的宇宙線粒子會(huì)突然增多。這暗示著在該能量附近可能存在新物理。比如宇宙中可能存在著質(zhì)量為1.4TeV左右的暗物質(zhì)粒子或者某種奇特的天體可以加速出單一能量的高能電子。目前悟空號(hào)運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
