曹玲

暗物質(zhì)探測衛(wèi)星由中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院總研制，系統(tǒng)總設計師李華旺說：“就拿電視機來比喻，我們負責制造電視機，質(zhì)檢合格出廠，交由用戶使用，我們負責售后服務，至于怎么用就看用戶的了。”

2015年10月30日，四川錦屏極深地下暗物質(zhì)實驗室的工作人員正在分析實驗數(shù)據(jù)

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進表示，到目前為止，衛(wèi)星在天上工作了85天，搜集了4.5億個高能粒子，覆蓋了三分之二天區(qū)?！拔覀円獪y量電子、伽馬質(zhì)子等，現(xiàn)在探測器完全能夠滿足所有的科學目標。我需要一定的時間，獲取一定量的高能粒子，才能告訴大家有沒有探測到暗物質(zhì)粒子，暗物質(zhì)粒子在天上的什么地方?！?/p>

暗物質(zhì)探測衛(wèi)星和應用型衛(wèi)星不同，是我國發(fā)射的第一顆科學實驗衛(wèi)星?！翱茖W實驗衛(wèi)星上天之后要有科學產(chǎn)出，提供科學知識。”中國科學院國家空間科學中心主任吳季說。據(jù)他介紹，今年我國將陸續(xù)發(fā)射量子科學實驗衛(wèi)星、實踐十號衛(wèi)星、硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星等科學實驗衛(wèi)星，“我國空間科學正在進入歷史上最好的發(fā)展時期”。

“選擇空間科學衛(wèi)星的研究目標非常重要，其成果只有世界第一，沒有中國第一?？臻g科學衛(wèi)星的目標由科學家來定，而不像應用型衛(wèi)星目標由用戶來定?！眳羌窘榻B，2011年1月，中國第一個空間科學衛(wèi)星計劃“空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項”正式啟動，首批空間科學衛(wèi)星遴選項目時重點考慮兩個方面：一是科學產(chǎn)出的重大性，即是不是重大前沿，能否實現(xiàn)重大突破;二是考慮它的帶動意義，是不是能廣泛地帶動學科的發(fā)展，帶動更多的科學家參與數(shù)據(jù)分析。

暗物質(zhì)探測衛(wèi)星成為“空間科學先導專項”發(fā)射的第一顆實驗衛(wèi)星。為什么要這么迫切地去尋找暗物質(zhì)呢？

所謂暗物質(zhì)，是指不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，目前人們只能通過引力產(chǎn)生的效應得知其存在。長期以來，暗物質(zhì)和暗能量都被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵“烏云”。天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙的25%，暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。也就是說，我們的宇宙大部分由看不見的物質(zhì)組成。“宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也最難了解的，至今僅知道它們的存在，但還不清楚它們的性質(zhì)?！笨茖W家認為，暗物質(zhì)是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，在宇宙演化中起著決定性作用，同時也決定著宇宙未來的命運。

“按照現(xiàn)有的粒子物理標準模型，科學家預測到61種基本粒子，這61種基本粒子都找到了，包括前些年找到的‘上帝粒子（希格斯玻色子），但是暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)和這61種粒子不吻合，現(xiàn)有的物理知識無法解釋暗物質(zhì)。如果我們探測和研究暗物質(zhì)粒子，很可能會導致物理學的革命性突破?！背＿M說，“如果能揭開它們的秘密，就有可能解決宇宙之謎?！?/p>

為此，暗物質(zhì)成為當今科學界面臨的最前沿問題之一，目前中國和世界多個國家已著手籌建或?qū)嵤┒鄠€暗物質(zhì)探測實驗項目?！拔蚩铡弊?015年12月發(fā)射升空起就備受關注。國家空間科學中心的數(shù)據(jù)顯示，“悟空”是迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，超過國際上所有同類探測器?！拔蚩铡鳖A計在軌工作3年，前兩年主要進行巡天觀測，后一年根據(jù)前兩年的觀測結(jié)果進行定點掃描探測。常進說：“目前數(shù)據(jù)分析正在進行中，預計今年底將公布首批科學成果?！?h3>暗物質(zhì)是什么

那些看不見的東西才是天空真正的秘密。

了解一些你看不見的東西是很難的，暗物質(zhì)既不發(fā)光也不吸收光，和光沒有任何相互作用。它所謂的“看不見”，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論探測什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，都看不到它。

但是科學家知道它們存在。上世紀30年代，加州理工學院教授弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）觀看鄰近的星系時發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西。他研究星系團的運動，對星系團里有多少物質(zhì)做了估算，然后對比人們能看到的物質(zhì)數(shù)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)那些星系都轉(zhuǎn)得太快了，如果僅僅用它們內(nèi)部所含的物質(zhì)來計算，巨大的離心力應該早就讓它們分崩離析。如果宇宙中的每一個星系都像一個旋轉(zhuǎn)木馬，它們轉(zhuǎn)動得太快，上面坐著的游客們應該都會飛出去才對。

所以其中一定有其他物質(zhì)在影響星系的運動，那是什么呢？茲威基敏銳地指出，這些物質(zhì)不能被直接觀察到，但卻同樣能夠產(chǎn)生引力作用，從而幫助將星系聚集在一起而不至于被撕碎。1933年，他成為第一批真正了解暗物質(zhì)存在意義的人，稱其為“迷失的物質(zhì)”。

這個革命性的想法一開始卻被大大忽視了，人們尊重茲威基，但沒人愿意認真對待他的觀點。他的偉大洞察和理論都被擱置一旁，無人問津。當時人們認為他是個瘋狂的理論家，有勁沒處使，所以才發(fā)明這么一種全新的物質(zhì)出來。

茲威基的測量基于星體和星系的物質(zhì)數(shù)量，但是怎樣衡量太空中的物質(zhì)數(shù)量？雖然無法直接測量太陽，但可以測量行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的速度，太陽的質(zhì)量越大，行星想要留在它的軌道，旋轉(zhuǎn)速度就要越快。

牛頓和愛因斯坦都認為，一個物體的質(zhì)量越大，萬有引力就越大;一個物體離中心越遠，它在軌道里就運行得越慢，因為萬有引力變小了。就拿太陽系來說，水星的運行速度相比海王星來說更快，因為水星離太陽更近。同樣的，對于一個星系你可以預期，如果距離越來越遠，物體運動速度就會越來越慢，以維持在正常的軌道。但事實上，外圍恒星運動的速度遠遠超出了預期。

茲威基沒有意識到這一點。50年后，一個叫維拉·魯賓（Vera Rubin）的年輕女科學家在觀測類似銀河系的星系旋轉(zhuǎn)曲線時發(fā)現(xiàn)，越來越遠的氣體和塵埃的軌道運行速度始終保持不變。如果一個城市是一個星系，道路上的車輛是一顆恒星或者行星，不管道路交通多繁忙或者其他因素多復雜，每一輛車都以相同的速度穿梭在城市里。她又觀測了其他星系，發(fā)現(xiàn)也是同樣的情況。魯賓由此認為，宇宙中存在著我們看不見的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供著引力。

“地球附近也有大量的暗物質(zhì)。天文學家發(fā)現(xiàn)，銀河系里成千上萬顆恒星的實際觀測速度要大于理論上的速度。太陽的速度理論上是每秒160公里，但是現(xiàn)在觀測太陽的速度大概是每秒240公里。如果不存在暗物質(zhì)的話，太陽系就應該處于銀河系的更外圍，而不是現(xiàn)在這個位置。”常進說。

科學家分析了上百個星系，都有同樣的形狀，運轉(zhuǎn)速度都太快了，需要暗物質(zhì)把它們保持在一起。這時，科學家開始注意到這個問題，什么是暗物質(zhì)，如何在太空中找到一些看不到的物質(zhì)？

被稱為引力透鏡的效應為暗物質(zhì)提供了更多的證據(jù)。如果有一大團物質(zhì)，例如星系團恰好位于一個遙遠光源的前方，那么前景天體就能彎曲從其附近經(jīng)過的背景光，由此會產(chǎn)生一系列的光弧，把這些弧線連接起來就會形成一個“愛因斯坦環(huán)”。質(zhì)量越大，它對光線的彎曲量越大。然而，在星系團中沒有足夠的可見物質(zhì)能產(chǎn)生出我們所觀測到的彎曲，于是，那里必定隱藏著不可見的額外質(zhì)量。

暗物質(zhì)的存在似乎突然間被揭開了。一旦暗物質(zhì)出現(xiàn)，科學家又懷疑它是不是一種新的沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，還是一般的看不見的物質(zhì)。最初，科學家認為它和組成你和我的物質(zhì)一樣，但是不會發(fā)光。

科學家設想宇宙里不會發(fā)光的哪些物質(zhì)可能會是暗物質(zhì)。黑洞有可能是，它不會發(fā)光，可以透過引力透鏡發(fā)現(xiàn);隱藏在銀河系暈輪里的大質(zhì)量致密天體可能是，它們可以通過引力透鏡觀測，但它們的質(zhì)量還不足以描述暗物質(zhì)的數(shù)量;褐矮星同樣是懷疑的對象，它們數(shù)量足夠多。除此之外，暗物質(zhì)的候選者還有中子星、自由行星、白矮星和非常微弱的紅矮星和大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）。

無論暗物質(zhì)是什么，它們的數(shù)量和質(zhì)量都比恒星和行星的普通物質(zhì)多上10倍。所有由原子、質(zhì)子、中子組成的物質(zhì)，數(shù)量都比不上科學家在星體和星團中所觀測到的物質(zhì)的數(shù)量。

科學家繼續(xù)尋找新的可能性，繼續(xù)研究暗物質(zhì)，以前發(fā)現(xiàn)的奇異粒子，例如中微子成了他們的研究對象。像暗物質(zhì)一樣，每次數(shù)以百萬計的中微子穿過地球，但是它們太輕了，沒有辦法解釋暗物質(zhì)對萬有引力的影響，而且科學家可以在粒子碰撞實驗中產(chǎn)生中微子。

在考慮了所有的可能性后，許多科學家相信暗物質(zhì)是一個新的奇異粒子，和地球上的物質(zhì)完全迥異。每秒有數(shù)十億暗物質(zhì)經(jīng)過我們，但從來不和普通物質(zhì)發(fā)生碰撞。如今，我們知道暗物質(zhì)是一些笨重的物質(zhì)，速度不是很快，我們看不見它，它對我們沒有影響，和普通物質(zhì)也不產(chǎn)生相互作用。

科學家維拉·魯賓認為，宇宙中存在著我們看不見的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供引力

目前，對于暗物質(zhì)是什么，最普遍接受的想法是一些叫作大質(zhì)量弱相互作用粒子的物質(zhì)。大質(zhì)量弱相互粒子對大顆粒的作用力很小，它們的特性和暗物質(zhì)的可能性很接近。

尋找暗物質(zhì)

對于這些擅長隱身的暗物質(zhì)粒子，如何才能找到它們呢？

“如果理論上知道它是什么東西，我們就能很容易地把它找到。通俗地講，我們?nèi)フ乙粋€人，只知道這個人可能存在，但是這個人穿什么衣服、長什么樣子，我們根本不清楚，只能通過排除法，或者說一步一步篩選，從一些可疑的跡象篩選?！背＿M說。

目前，人類用來捕捉暗物質(zhì)的方法僅有三種，可以形象地稱之為“上天、入地、對撞機”。目前國際上有歐洲核子中心的大型強子對撞機、安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀，以及美國航空航天局的費米太空望遠鏡等設備在尋找暗物質(zhì)，但目前找到的都還只是一些“疑似證據(jù)”。

其中，“上天”是間接探測方法，即捕捉暗物質(zhì)互相碰撞、湮滅時產(chǎn)生的痕跡。當一對暗物質(zhì)粒子偶然相撞的時候，會同時湮滅，可能會放出質(zhì)子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。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(zhì)粒子的蹤影。

我國發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，采用的也是間接探測的方法。“暗物質(zhì)衛(wèi)星只是瞄準暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，也就是暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變的時候會產(chǎn)生一些高能粒子，這叫間接法。至于間接法能不能找到暗物質(zhì)，我現(xiàn)在也不知道。我知道的是，盡管暗物質(zhì)粒子探測器最主要的目標是去找暗物質(zhì)，但是這個探測器本身就是一個望遠鏡，一旦打開這扇新的窗戶，必然有很多新奇的現(xiàn)象。究竟這個新奇的現(xiàn)象是捕捉到了暗物質(zhì)，還是其他的一些新的天文、物理現(xiàn)象，我們還不清楚?！背＿M說。

“入地”則是一種直接探測的方法，該方法是直接探測暗物質(zhì)粒子和普通原子核碰撞所產(chǎn)生的信號。比如美國低溫暗物質(zhì)搜尋計劃（CDMS），位于明尼蘇達州地下800米深的一個廢棄礦井，費米實驗室在此設計了一個探測器可以探測暗物質(zhì)。暗物質(zhì)就在我們身邊流動，任何動靜也沒有，很小的概率它會撞上探測器感應裝置原子的原子核，那就是科學家希望看到的。

位于我國四川的錦屏極深地下暗物質(zhì)實驗室也是如此，這是我國首個用于開展暗物質(zhì)探測等國際前沿基礎研究課題的極深地下實驗室，其上方有厚達2400米的巖石層，可以將穿透力極強的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一，為探測暗物質(zhì)提供了一個幾乎沒有干擾的環(huán)境。

“對撞機”則是在加速器上將暗物質(zhì)粒子創(chuàng)造出來，并研究其物理特性。常進說，由于暗物質(zhì)粒子即使被創(chuàng)造出來，也不會被探測器發(fā)現(xiàn)，只能通過其他可以看見的粒子來推測出是否有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生。雖然暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到，但它一定會帶走“能量”，即創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子需要能量，因此從丟失的“能量”和分布可以推測暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。目前，歐洲核子中心的大型強子對撞機被認為很有可能創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

“這三種方法互為補充，可以互相印證。如果我們在天上找到一種暗物質(zhì)粒子，質(zhì)量超過現(xiàn)有加速器的能量上限，那么加速器的能量就必須進一步提高。如果我們把暗物質(zhì)的質(zhì)量弄清楚了，會指導地下的直接探測實驗修改他們的方案，比如現(xiàn)在清華大學、上海交大致力于尋找低質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子，國際上一些組織主要探測大質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子。如果我們準確地知道了暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，那地下實驗就會變得比較明確了，究竟是找怎樣的暗物質(zhì)?！背＿M說，“至于暗物質(zhì)衛(wèi)星究竟能發(fā)現(xiàn)什么，還要等數(shù)據(jù)分析的結(jié)果?！?