暗物质是什么，中国的悟空探测器找到了什么？

伤我心太深

　　暗物质到底是什么?可能和迷你黑洞有关?关于暗物质是什么至今科学界也没有明确的定义，只是有科学家自称探测到过暗物质。暗物质在理论上是存在的。那么暗物质到底是什么?中国的悟空探测器到底找到了什么？

　　暗物质(Dark matter)是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型(ΛCDM模型)可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。


　　暗物质是什么?没有人真实知道，但是一种可能性解释认为，暗物质是由大爆炸诞生原始迷你黑洞组成。　　据报道，暗物质是宇宙中神秘额外发送质量，它们不释放光线，但会产生引力作用，实际上可能是由起源于宇宙大爆炸的原始黑洞构成。

　　目前，依据最新研究理论表示，这些微型迷你黑洞的诞生可能与希格斯玻格色子有关。这一理论发表在3月23日出版的《物理评论快报》杂志上，研究人员指出，原始黑洞是在产生希格斯玻色子的作用场中形成的，在大型强子对撞机(LHC)实验中，研究人员将希格斯玻色子描述为“上帝粒子”。
　　研究报告合著作者、瑞士日内瓦大学物理学家安东尼奥·里奥托(Antonio Riotto)说：“原则上讲，所有暗物质的解释都是基于原始黑洞的形式。”
　　然而，并不是每个人都对此信服，一些物理学家称，这些原始黑洞不太可能解释宇宙所有的暗物质。

　　迷你黑洞

　　希格斯玻色子是在所谓的希格斯场(Higgs field)中产生的，它们在宇宙中弥漫，并对粒子赋予质量。当科学家发现希格斯玻色子存在时，证实它比质子重126倍，比多数物理学家预想的更轻。在进行一些计算之后，物理学家意识到希格斯玻色子的质量暗示着希格斯场可能不会处于最稳定的状态。

　　更重要的是，希格斯玻色子的质量暗示着在宇宙早期膨胀过程中，当物理在大爆炸之后立即向外扩散时，不稳定的希格斯场经历了量子涨落(quantum fluctuations)，在希格斯场不同部分存在着不同密度的物质。
　　依据这项最新研究，这些波动使得小块空间区域的质量密度非常高，以至于坍缩形成一个黑洞。这些小型迷你黑洞的质量大约10万亿公斤，质量与珠穆朗玛峰相近。

　　该理论在许多层面上都具有一定的吸引力：暗物质并不释放可探测光线，黑洞也是如此。而原始黑洞如果存在的话，将是证实希格斯场并非处于最低能量状态的物理证实。同时，这一最新理论也将解释暗物质，而不需要任何超越标准模型的新物理概念，它描述了微小亚原子粒子的行为特征。
　　然而，如果这些原始黑洞确实存在，物理学家将如何发现它们呢?现今它们看上去会像大约140亿年前诞生之初的状况吗?

　　随着时间的推移，黑洞会吸引和吞噬越来越多的质量。但可能还有另一种作用场运行，那就是虹吸黑洞物质的“霍金辐射(Hawking radiation)”。“霍金辐射”理论认为，由于量子效应，黑洞会释放粒子和能量。随着时间的推移，霍金辐射可能导致它们完全蒸发，它们质量越小，消失得越快。黑洞释放的粒子和能量非常安静和微弱，以至于它们从未被探测到，尽管大多数科学家相信它们真实存在。随着时间的推移，黑洞中的粒子和能量获得更多的质量，在140亿年时间的过程中通过霍金辐射损失这些粒子和能量，现今残留的原始黑洞可能非常微小，或者非常庞大。

　　具有争议的理论

　　目前宇宙中黑洞构成所有暗物质的理论仍存在一定争议，物理学家现已排除了质量较低的黑洞，因为现今并未探测足够多的黑洞，用于解释宇宙中所有额外质量。然而，物理学家现已排除了中型大小的黑洞，例如：2016年2月，激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到两个正在合并过程中的黑洞，它们的质量分别是太阳的29倍和36倍。该质量等级原始黑洞并未被排除。

　　但是一些物理学家置疑这些天体能否解释宇宙中大多数暗物质，美国加州大学河滨分校黑洞物理学家西米恩·伯德(Simeon Bird)说：“根据我们现今所了解的情况，原始黑洞不太可能全部是由暗物质构成。但是我们无法精确至1%-10%。要证明这一观点，最简单的方法就是探测原始黑洞。”

　　伯德强调称，当前正在智利境内建造的大型综合巡天望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)将是搜寻这些远古原始黑洞的理想选择。
　　美国约翰霍普金斯大学理论物理学家马克·卡米恩科夫斯基(Marc Kamionkowski)曾撰写的研究报告主张暗物质是由黑洞组成，在报告中他保持类似的谨慎态度。他说：“在过去一年里，我对黑洞构成暗物质这一想法的信心产生过动摇，因为激光干涉引力波天文台并未找到黑洞合并的充分证据，从而证实该理论。但是我仍认为该观点十分有趣。这篇最新研究报告提供了产生黑洞的早期宇宙机制，引起了天文学家的浓厚兴趣。

　　原始黑洞仍是一种假设，除非我们探测到质量低于太阳的黑洞，而希格斯场对研究人员提出的创造性解释，在没有发现原始黑洞之前是无法证实的。
　　并不是每个人都相信，就像研究人员所做的那样，原始黑洞和暗物质可能是同质的，但是卡米恩科夫斯基曾在2017年声称：这是一个古怪的想法，任何关于暗物质的每一种观点也可能是疯狂想法。

　　暗物质是什么妖怪?我们的悟空率先发现了这些秘密

　　想必很多人的朋友圈今天都被“悟空”刷了屏：北京时间30日凌晨，国际权威学术期刊《自然》在线发表了中国首颗暗物质探测卫星“悟空”的首批成果：发现太空中的反常电子信号。
　　不明觉厉!




　　冷静下来后，很多人就开始思考：“悟空”到底是何方神圣?什么是暗物质?发现的反常电子信号究竟是什么啊?对我们能有什么影响?
　　30日下午，在南大科学园的紫金山天文台里，科学家们做了一场“暗物质粒子探测卫星“悟空”首批重大科学成果报告会。经历了近两年的时间，“悟空”终于取到了“经”。大师兄不愧是大师兄!
　　提示：文章可能涉及到一些物理知识，需要烧脑!

　　1、悟空是何方神圣?

　　悟空号，是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，最早是由紫金山天文台的常进研究员于2005年提出。该卫星的探测器由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心联合研制。


　　暗物质
　　在2015年12月17日发射成功，是中国的首颗天文卫星。

　　“悟空”仅有一张书桌大小，而它的“火眼金睛”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间暗物质探测器。可以以很高的能量分辨率测量高达10TeV(相当于普通日光灯发出的能量的5万亿倍)的粒子。

　　2、悟空取了什么经?

　　要了解悟空取的“经”，就必须先要了解“暗物质”。
　　“当天文学家发现我们的太阳系围绕银河系中心旋转的速度太快时，不得不设想，在银河系中除了可见物质之外，一定还有其他看不见的物质，他和光、电磁波不发生作用，所以称之为暗物质。他们和可见物质一起拉着太阳，使其不至于由于速度过高而飞离银河系的中心。”
　　——中国科学院院长白春礼


　　根据目前主流的看法，宇宙中已知的普通物质不到5%，95%以上是至今仍笼罩着神秘面纱的暗物质和暗能量。这些暗物质不发光，相互作用力弱，没有电磁相互作用，所以科学家迫切想知道它们到底是什么，对它们的研究很可能会引发科学上的革命。

　　暗物质带来的问题也因此被认为是“笼罩在当前物理学天空中的乌云”。

　　“我们希望借助悟空的火眼金睛，能够找到暗物质这个妖魔鬼怪。”报告会现场，“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进“悟空”和“暗物质”。

　　暗物质卫星首席科学家常进

　　悟空号”从2015年12月17号发射成功以来，经过了530天的在轨运行，共收集了约28亿颗高能宇宙射线。基于这些数据，科研人员获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线(能量最准、纯净程度最高)。
　　更引人注目的是，“悟空”首次直接探测到了电子宇宙射线的“拐折”(在~1TeV处额拐折)，而在正常的能谱变化里，它应该是一条平滑的曲线，这也就意味着这个“拐折”必有“古怪”。



　　悟空得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色)

　　这个拐折，对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用!但并不表明，发现了暗物质。
　　有人认为这个拐折有可能产生于暗物质，也有人认为是特殊的天体构成产生的，还需要更多的数据才能被证实。

　　3、悟空为什么能取到经?

　　在“悟空”之前，国际上已有一些空间探测器在尝试搜寻暗物质。但由于探测器规模或设计方案的限制，它们的探测能区相对较低，分辨率和粒子鉴别本领也有限。而“悟空”既可探测低能区，也能探测高能区。




　　与国际同类探测设备相比，“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类宇宙射线的本领”这两项关键技术指标方面世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的信号。
　　“就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人，既要快，又要准。”常进说。

　　4、悟空取到的经，能干什么?

　　虽然不像外界传的那样，人类发现了暗物质。但是科学家们认为，这同样是引人注目的。
　　“暗物质粒子，人们认为是物理上面的一朵乌云，把它弄清楚还需要好长的时间。但是我可以肯定说，打开一扇门，找到它的信号是很重要的。即便无法证明是暗物质的踪迹，‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口。”常进说。
　　“悟空”研究团队透露，今后两三年是卫星数据分析的关键时期，收集到目标事例越来越多，绘制的能谱越来越精确，还将有系列重大成果发布。