暗物质是什么？悟空探测器有新发现

揭秘者

悟空探测器发现暗物质，我们都被今天的头条给刷屏了！21世纪最大的谜团是什么？那就是苦苦寻找的暗物质啊！

中西方科学家们都在努力寻找暗物质，但是现在被中国的探测卫星发现了。


如果说暗物质之谜真被中国科学家解开！



新华社北京１１月３０日电 题：“悟空”发现疑似暗物质踪迹 中国探问宇宙之谜迈出重要一步

新华社记者陈芳、董瑞丰、蔡玉高、蒋芳

暗物质，一个人类追寻多年的宇宙魅影，最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。

国际权威学术期刊《自然》于北京时间３０日在线发布，暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测，意味着中国科学家取得了一项开创性发现。

“‘悟空’的最新发现，是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说，如果后续研究证实这一发现与暗物质相关，将是一项具有划时代意义的科学成果，即便与暗物质无关，也可能带来对现有科学理论的突破。

探问宇宙之谜的火炬，传承到新时代的中国人手中。从“东方红一号”到“悟空”，从茫茫深海到浩渺太空，“中国梦”正承载起更多为全人类探寻未知、解答未知的使命。

打开“新窗口”：疑似暗物质踪迹初现？

经过两年持续观测，“悟空”在１．４万亿电子伏特（ＴｅＶ）的超高能谱段，“定位”了一束明显异于常态的电子宇宙射线。

“之前没有人发现过。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进解释，正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线，但根据“悟空”观测数据，这里突然出现了一处剧烈波动，划出一个“尖峰”，意味着此处必有“古怪”。

“现有的物理模型无法解释‘悟空’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。

新发现是否就是科学家苦苦追寻的暗物质踪迹？中科院理论物理研究所所长吴岳良说，根据现有数据和理论模型无法做出断定，但这是“暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据”。

暗物质是什么？发现暗物质的意义究竟有多重大？

当前主流科学界认为，人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足５％，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测，与物质相互作用也很弱，人类至今对它知之甚少。

暗物质的“真相”因此位列２１世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜，被认为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、量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

面对诱人前景，科学家在全球展开竞争，试图第一个找到暗物质的踪迹。天上，把强磁场设备送进太空；地下，深入几千米的大山建造实验室……科学家使出浑身解数，用上了多种探测手段，国际上的相关实验和设备多达数十个。

“‘悟空’用的是探测高能宇宙射线的方式，寻找暗物质粒子湮灭的间接证据。”常进说，根据理论模型，暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等宇宙射线，一旦找到特定的高能宇宙射线，有望推断出暗物质的“庐山真面目”。

“悟空”得出数据后，研究人员为了排除分析方法可能产生的干扰，将初始数据分别交由４个中外团队独立分析计算，最后得出一致结论：在１．４ＴｅＶ处确实出现了异常现象。

这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说，如果进一步研究确认与暗物质相关，人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中５％以外的广袤未知，这将是一个超出想象的成就。

“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。

宇宙捞“针”：“悟空”有哪些绝技

《自然》期刊中国区科学总监印格致（Ｅｄ Ｇｅｒｓｔｎｅｒ）对常进的话深以为然。“科学就是在一个接一个的‘可能’中不断接近真理，”他说，“对科学家来说，发现异常未知的那一刻最兴奋。”

不过，寻找“异常”与“可能”绝非易事。自２０１５年底发射升空，“悟空”探测了３５亿多个高能宇宙射线，从中总共搜寻出１００多个异常电子，难度不亚于大海捞针。

“天上的辐射背景太复杂，需要做出区分。”“悟空”科学应用系统总设计师伍健说，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。

目前国际上知名的相关研究项目有美国费米卫星，日本量能器型电子望远镜，以及著名物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪等。“悟空”科学应用系统副总师范一中说，相比同类设备，“悟空”显著提高了电子能量观测的上限，得到的电子样本“纯净”程度也最高，这是中国科研人员自主提出的新探测技术，实现了对高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。

香港大学物理系副教授苏萌说，关键性的“拐折”由“悟空”首次测量出来，说明中国的暗物质卫星测量水平具有非常独到的优势。

“悟空”研究团队也坦承，目前数据统计量还不够，存在一定的统计误差。“我们是‘靠天吃饭’，天上有多少宇宙射线，我们才能测到多少事例。”常进说，要降低统计误差，唯一办法是积累大量数据，这需要更多时间。

好消息是，“悟空”在轨运行状况很好，预计卫星在天工作时间会大大超过设计寿命。“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。

探索“无人区”：中国瞄准人类科学前沿

不久前，伍健到欧洲的合作伙伴总部访问，会议室陈列了三个科学实验装置的标志，按时间顺序分别是费米卫星、阿尔法磁谱仪和“悟空”。“这是他们从数十个合作项目中选出的、有代表性的实验，在相关领域最有希望取得成就。”伍健说。

“悟空”对暗物质的探寻，已经逐渐进入科学的“无人区”。但在“无人区”做一个“领跑者”，不是件容易的事。原创思想、技术实力，这些年来“悟空”研究团队没少被质疑。

上世纪９０年代末，由于资金短缺，常进加入美国一个高能宇宙射线研究项目。起初，他的观测方法得不到美方同行的认同，经过反复模拟和实验验证，美方的南极气球项目终于采纳了他的方法，并在高能电子观测方面取得重要进展。

时隔多年，美国团队中一位教授在国际学术会议上提到此事，还连连感慨：“中国的常教授当年给我们带来一个疯狂的想法，结果一举成功！”

“悟空”用的一个探测器关键芯片需要进口，但当时国外对中国禁运这类芯片。“悟空”研究团队从零开始，研究芯片、改装芯片，最终用自己的技术解决了这一问题。

“整天跟着别人屁股后面搞研究，谈何自主创新？”常进说，“中国的科研人员一定要有自信，外国的技术路线不见得比我们强，关键在于我们找到了正确方法后自己能否守得住。”

站在科学的最前沿，也让中国科学家赢得更多荣誉。“我们主导的研究发现，就能把自己的名字署在上面。”范一中说。

从卫星设计、测试起，以常进为首的“悟空”研究团队不断吸引国内外科研人员加入，目前已经形成了来自中国、瑞士、意大利等国，人数超过１００名的多学科顶尖人才团队。

从深海载人技术到量子保密通信，从“天眼”到“悟空”，中国对科学和技术“无人区”的探索日渐成为常态。“聚沙成塔，国家实力不断增强，对基础研究不断重视，让以前不可能的事情成为现实，也让科学家有机会实现更伟大的梦想。”常进说。

伤我心太深

　　作者：袁强(中国科学院紫金山天文台)
　　是呀是呀，刚刚发的文，宣布“悟空”获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。


　　“悟空”至今已稳定在轨运行接近2年，全天扫描了4次，获取了35亿高能宇宙射线事例。
　　由于其独创性的设计，“悟空”号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍，但是却在电子/伽马的能量测量精度和质子-电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平，从而也成为国际上探测暗物质的利器。


　　“悟空”号卫星今日发布的第一个重大科学成果，就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果。




　　“悟空”的电子宇宙射线能谱


　　等等，似乎有哪儿不太对。
　　说好的暗物质粒子探测卫星呢?第一次发布的重大成果怎么是“获得了高能电子宇宙线能谱”?

　　热评：无知限制了我的想象力


　　我们都知道，暗物质的探测有三种方法，“上天入地对撞”。“悟空”采用的就是“上天”的方法，这种方法指的是发射空间高能粒子探测器，探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子，例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层，所以需要“上天”。

　　这种方法的基本思路很简单，虽然我们“看不到”暗物质粒子，但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后，会产生我们能够“看到”的粒子，例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测“看的到”的，来探测“看不到”的。

　　而且，暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子，反映在能谱上，会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程，电子能谱是平滑变化的，而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断，或者甚至有可能产生单一能量的电子，这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。
　　如果我们的卫星探测精度足够高，是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。

　　没毛病!

　　说回这次的结果。这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征：
　　1) 电子能谱在大约1 TeV(万亿电子伏特，相当于可见光能量的一万亿倍)能量处呈现出一个拐折;
　　2)在能量约1.4 TeV处发现一个尖峰状结构。
　　得益于“悟空”号的高能量分辨率和低本底混入率，它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。
　　1)第一个能谱拐折，在之前的实验HESS中，曾观测到类似迹象，但由于误差很大，不能明确下结论。而空间实验Fermi-LAT的结果却表面没有拐折。“悟空”号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。
　　这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。

　　因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量，越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子，传播的范围越小。
　　例如，对于1 TeV能量的电子，基本上只能传播3000光年的距离，而10 GeV的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小，在这个范围内，源的数目也很稀少，因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同，那是大量源的平均效应。
　　打个比方，就好像我们炖了一锅骨头豆子汤，如果把骨头切成和豆子一般大小，那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多，数量也不可能像豆子那么多，这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。

　　2)第二个特征则是“悟空”号率先观测到的，之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说，1.4 TeV处的结构则是所有人都没有预期到的新现象!
　　这意味着可能在宇宙空间中存在质量约1.4 TeV的新粒子，或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。



　　“悟空”号对宇宙射线电子能谱的测量结果(红点)，以及与之前别的实验观测结果的对比(来自Nature, 2017)

　　另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道，此前只有在实验室中通过精细调节实验装置，我们才能够获得单能粒子束。我们猜测，脉冲星可能可以扮演这个角色。




　　史上最经典脉冲星图(科普FAST的时候用你，科普“悟空”还用你)


　　脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹，是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。
　　无论是哪种情况，这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现!

　　虽然“悟空”号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。不过，由于高能量粒子数量稀少，现在还不能完全排除是统计波动的影响。“悟空”号的当务之急是继续收集数据，提高统计量，以确切地验证该新结构的真实性。可以预计，再经过一到两年的时间，“悟空”号的数据将对1.4 TeV这个结构的真实性给出明确的结论。
　　这里需要补充一点，很多人关心“悟空”号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前，“悟空”的工作状态十分稳定，每天平均收集500万个粒子，预计还将服役3年，理想状况下，我们将还能收集到50亿个粒子，届时我们将对许多问题给出清晰的说明。


　　另一方面，“悟空”号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标，给出了参考指标。
　　例如，未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计;地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度;别的空间实验可以验证“悟空”号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源(暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号)。
　　说完这些以后，隔壁班的小花同学依然特别任性得问，“开创性什么的我不管我不管!所以暗物质被发现了吗?”
　　很遗憾，目前还不能说暗物质被发现了。但“悟空”正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奥秘。