張超

在《西游記》里，孫悟空擁有一雙“火眼金睛”，捉妖降魔，無(wú)所不能。而在宇宙空間中，我國(guó)也有一雙洞察暗物質(zhì)蹤跡的“火眼金睛”，它就是中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)主導(dǎo)研發(fā)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”，它是我國(guó)發(fā)射的第一顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。北京時(shí)間2017年11月30日，英國(guó)《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表了“悟空”的首批成果——探測(cè)器在特定的能量區(qū)域觀(guān)測(cè)到了尖銳的能譜信號(hào)，這為“探索暗物質(zhì)”這一世紀(jì)性的物理學(xué)難題提供了新的線(xiàn)索。

發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的線(xiàn)索

宇宙中的各種天體之間通過(guò)引力作用，形成了包括星系在內(nèi)的復(fù)雜的天體系統(tǒng)。1937年，美國(guó)加州理工學(xué)院的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，后發(fā)座星系團(tuán)必須有當(dāng)時(shí)觀(guān)測(cè)到的已知物質(zhì)400倍的質(zhì)量存在，才能提供足夠的引力維系該星系團(tuán)內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。隨著宇宙探測(cè)技術(shù)的提升，在大量的星系里，科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了這種質(zhì)量缺失的現(xiàn)象，而這便是由暗物質(zhì)造成的。

如果沒(méi)有特殊的物理現(xiàn)象，我們觀(guān)測(cè)到的由天體活動(dòng)產(chǎn)生的電子能譜信號(hào)是平滑遞減的。例如，宇宙中能量巨大的γ射線(xiàn)因?yàn)槟芰繐p失，無(wú)法達(dá)到地球，所以觀(guān)測(cè)到的數(shù)量十分少；如果因?yàn)樘厥獾奈锢頇C(jī)制產(chǎn)生了一個(gè)特定能量的γ射線(xiàn)，那么在探測(cè)器中就能觀(guān)測(cè)到一個(gè)強(qiáng)烈的電子能譜信號(hào)。北京時(shí)間2017年11月27日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布“悟空”在1.4萬(wàn)億電子伏特的能量區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的能量信號(hào)，而這極可能是由暗物質(zhì)造成的。

隱身精靈——暗物質(zhì)

以現(xiàn)有的技術(shù)手段，物質(zhì)要被觀(guān)測(cè)到，就必須轉(zhuǎn)換為電磁信號(hào)，科學(xué)家通過(guò)分析不同頻段的電磁信號(hào)的來(lái)源來(lái)研究物質(zhì)背后的物理本質(zhì)。如果一個(gè)物體自身無(wú)法發(fā)出電磁信號(hào)，這就意味著它無(wú)法被直接觀(guān)測(cè)到；如果它不與電磁信號(hào)發(fā)生作用，那么它就很難被觀(guān)測(cè)到，而暗物質(zhì)就屬于這樣的隱身精靈。

暗物質(zhì)大量存在于宇宙空間中，而我們只能從由引力作用產(chǎn)生的各類(lèi)天體運(yùn)動(dòng)中窺探到它的蹤跡。暗物質(zhì)存在的意義重大，天文物理學(xué)中諸多的物理現(xiàn)象只能用暗物質(zhì)才能解釋。例如，在愛(ài)因斯坦相對(duì)論的描述中，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)大質(zhì)量的天體附近時(shí)，光線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似穿過(guò)透鏡時(shí)的彎曲現(xiàn)象，這就是所謂的引力透鏡現(xiàn)象。經(jīng)X射線(xiàn)天文衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)結(jié)果證實(shí)，暗物質(zhì)引起的引力透鏡現(xiàn)象已經(jīng)被觀(guān)測(cè)到。

對(duì)于神秘莫測(cè)的暗物質(zhì)，目前，科學(xué)家共有三種方式可以對(duì)其進(jìn)行研究。

第一類(lèi)是建造粒子對(duì)撞機(jī)，將普通粒子加速到光速，然后產(chǎn)生碰撞，制造出暗物質(zhì)產(chǎn)生所需要的溫度以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。目前全世界最大的粒子對(duì)撞機(jī)是位于瑞士日內(nèi)瓦和法國(guó)邊界的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，它的周長(zhǎng)達(dá)到了27千米，能將粒子加速到十幾萬(wàn)億電子伏特的能量進(jìn)行碰撞，并希望由此產(chǎn)生暗物質(zhì)。

第二類(lèi)是發(fā)射暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，探測(cè)暗物質(zhì)在湮滅或者衰變過(guò)程中產(chǎn)生的電磁信號(hào)產(chǎn)物?！拔蚩铡本褪抢眠@種方式搜索、探測(cè)暗物質(zhì)的。

第三類(lèi)是建造地下實(shí)驗(yàn)室，用于觀(guān)測(cè)暗物質(zhì)粒子與核子產(chǎn)生散射的產(chǎn)物。由上海交通大學(xué)主導(dǎo)開(kāi)展的PandaX實(shí)驗(yàn)，探測(cè)彌散在地球周?chē)陌滴镔|(zhì)粒子碰撞到氙原子核可能發(fā)出的微弱信號(hào)。經(jīng)過(guò)精確的測(cè)量分析，PandaX實(shí)驗(yàn)已基本確認(rèn)1萬(wàn)億電子伏特的能量區(qū)域內(nèi)已難以找到暗物質(zhì)的存在證據(jù)。

“悟空”的過(guò)人之處

“悟空”擁有十分強(qiáng)大的寬波段探測(cè)能力，在500千米高的太陽(yáng)同步軌道，它能探測(cè)到能量范圍從50億電子伏特到10萬(wàn)億電子伏特的宇宙射線(xiàn)。它每天掃描整個(gè)空間4次，平均可收集500萬(wàn)個(gè)宇宙射線(xiàn)。自2015年底發(fā)射至今，“悟空”總共獲取了約35億個(gè)宇宙射線(xiàn)，并在這些信號(hào)中猶如“大海撈針”般捕捉到了1.4萬(wàn)億電子伏特區(qū)域附近的能量信號(hào)波動(dòng)。

得益于科學(xué)家的精巧設(shè)計(jì)，“悟空”的分辨能力很強(qiáng)，它搭載的暗物質(zhì)粒子探測(cè)器能對(duì)高能電子和γ射線(xiàn)進(jìn)行高精度的測(cè)量，并且能剔除大量的背景信號(hào)，對(duì)電子的鑒別能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以往儀器的探測(cè)能力。這也是它能在短時(shí)間內(nèi)找到1.4萬(wàn)億電子伏特處這一能量信號(hào)異常波動(dòng)的根本原因。

在眾多的探測(cè)結(jié)果中，“悟空”重新確認(rèn)了在9千億電子伏特處的一個(gè)信號(hào)，新發(fā)現(xiàn)了位于1.4萬(wàn)億電子伏特處的一個(gè)信號(hào)。由于以往開(kāi)展的關(guān)于暗物質(zhì)的研究結(jié)果已基本排除了1萬(wàn)億電子伏特以下存在暗物質(zhì)粒子的可能，所以1.4萬(wàn)億電子伏特處的信號(hào)就顯得尤為重要。不過(guò)，這個(gè)能量信號(hào)雖然有可能是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的，但也有可能是由中子星、超新星等天體活動(dòng)產(chǎn)生的。要確定它的真實(shí)面目，我們還需等待科學(xué)家更多的探索，揭開(kāi)宇宙空間更多的秘密！endprint