“悟空”卫星在暗物质探测方面取得突破，暗物质什么？可以拿来做什么？

ch_awen

“悟空”卫星在暗物质探测方面取得突破，暗物质什么？可以拿来做什么？

assdsss

暗物质是什么几位答主回复的很全面了。
下面介绍有什么用处（仅是理论）：
如果暗物质粒子的确存在，我们眼中的星系，可能就不是简单的旋涡状圆盘结构。


银河系和暗物质
哈佛大学的安德烈·卡兹提出了“双圆盘暗物质模型”。他认为：“宇宙中的暗物质不太可能都是由一种单一粒子组成。”也就是说，和原子、质子和电子相对，宇宙中还可能存在暗原子、暗质子和暗电子。
和普通的原子构成类似，暗质子较重，暗电子较轻，通过暗光子传递的暗电磁作用，组成暗原子。暗原子相互间以暗化学的形式彼此作用，进而构成暗分子。

暗原子艺术插图
卡兹表示：“暗世界可能和可见世界一样奇妙和丰富。”
暗质子和暗电子的相互作用会使能量逐渐逸出，慢慢在星系周围形成圆盘状。
也就是，任何星系，包括我们的银河系可能都由两个圆盘组成，一个是普通原子构成的可见圆盘，一个是暗原子构成的不可见圆盘。其他绝大多数的暗物质围绕两个圆盘形成松散的圆球状。而球形正是宇宙中的普遍存在。

暗物质包裹的银河系
加州技术学院的理论物理学家西恩·卡罗尔表示，暗物质物理定律可能和常规物质的物理定律一样复杂。包括暗引力、暗辐射、暗磁场和其他现象。
假设暗质子和暗电子存在，那么它们的反物质——暗反质子和暗反电子也很有可能存在。当这些正反物质相遇时，同样会湮灭并释放伽马射线。而且，暗原子也可能形成暗等离子云，它的波动影响了早期宇宙的形成，对现存的大尺度宇宙结构也有影响。

暗物质星系
而纽约大学的华裔物理学家刘佳（音译）基于暗物质的存在，提出“暗物质引擎”的概念。
按照他的设想，暗物质引擎的飞船前端是巨大的进气口，可以摄取太空中的暗物质粒子——中轻微子。中轻微子彼此接触发生湮灭，产生的能量被导入飞船尾部的装置内，推动飞船前进。而且，飞船的速度越快，摄取的中轻微子越多，产生的能量越多，飞船的加速度越高。根据刘佳的计算，在几天内甚至可以接近光速。

暗物质飞船艺术插图
但造出暗物质飞船还面临以下问题：
假设飞船可以摄取中轻微子，首先，它的密度必须足够大，但目前我们已知的密度最大的区域是26,000光年外的银河系中心。其次，中轻微子几乎无法和普通物质发生作用，如果想制造“能量导入装置”，恐怕还需要一种全新的未知材料。

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暗物质是什么东东
也许，你曾经在各个地方看到了“暗物质”，随着中国暗物质粒子探测卫星“悟空”上天，暗物质更是成为了吃瓜群众关注的焦点，那么，神奇的暗物质究竟是什么呢？


在进行星系的探测的时候，有一些爱搞事的科学家脑洞一开，拿着望远镜去观测星系的边缘，结果惊奇的发现银河系边缘恒星的运行速度大大超出了预期，即用爱因斯坦的理论预言的速度比实际上慢了很多。（下图左边是理论情况，但是右边才是实际情况）

如果要达到理论中的情况，银河系的质量将要比我们所观察到的质量大很多，也就是说，有大量的物质“失踪”了，于是，科学家们把这些躲起来的物质称为“暗物质”。
暗物质是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。也就是说，它是一堆特别羞涩与胆小的粒子，但是却在宇宙中凑了很多数。


暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大（人多力量大就是这么来的），它们代表了宇宙中26%的物质含量，因此有者巨大的引力效应。现在，如果你放下手机，仰望天空，你看到的最多的东西并不是所谓“天体”，而是一堆一堆的暗物质。（白天也是如此）
暗物质是一种未知的物质，科学家认为宇宙绝大部分由其构成。那么。暗物质的探索怎么样了呢？
当然是中国领跑世界咯！

相信大家都知道，“悟空”号就是干这个事儿的。暗物质粒子性格有些内向，喜欢独来独往，如果一旦碰上其他的暗物质粒子，就会同归于尽（真是奇怪），叫做“湮灭”，然后放出一些人类能观测到的粒子（比如电子、反电子），悟空好就是探测宇宙中这些粒子的变化强度与峰值，然后经由后期的数据处理与分析，科学家们就能从中判断是否是暗物质粒子湮灭所发生的，进而推断暗物质粒子是否真的存在。

真的，科学家们就像网络部一样爱搞事情，尤其是大事情，搞完后还不罢休，一定要弄个清楚。就这样，人类开始了对于暗物质的探索工作。虽然目前为止还没有什么新的发现，但是毫无疑问，我们总有一天会发现它，因为，它就在那里。

ASUKI

这个宇宙95%是由暗物质组成，而我们看到只属于那5%的非主流……

太空也许是人类探索的终极前沿，但对它的根本运行机制，我们的探索充其量只是刚刚起步。从开始仰望星空到现在，人类的发现不可胜数，但我们所看到的，只是宇宙中5%的物质；对于其余的95%——即所谓的“暗物质”——我们连怎么观测它都还没能摸着门道。
但这并不是说，世界各地的研究人员就没有去尝试。
人类真正展开对暗物质的搜寻，是在17世纪牛顿发现万有引力之后。
天文学家们假定，某些天体也许不会发光，但我们能基于引力效应，将其观测出来（比如黑洞）。近几十年中，有赖于光学与射电天文望远镜技术的进步，暗物质存在的证据不断累加。
截至目前，天文学界认为，宇宙中27%的质量由暗物质构成（如果将暗能量囊括进来，这个比例就达到95%）。对于暗物质的存在，我们已经确信不疑，但对于暗物质的构成，科学界仍无共识。
目前存在两种理论：一种认为，暗物质由大质量弱相互作用粒子（简称WIMP）构成，这种粒子的质量是电子的10万倍（表现出常规粒子的特性）。另一种理论推测，暗物质由轴子构成，而轴子作为一种基本粒子，其质量是电子的1000亿分之一（表现出波的特性）。据推测，轴子与光子一样表现出波粒二象性，只不过，不同于光子，它不能被直接观测到。
“若暗物质是一种未知粒子，那么，它能与我们互动的形式只有两种。”美国SLAC国家加速器实验室副教授菲利普·舒斯特（Philipp Schuster）博士说。“一种可能：它能与已知的那些力相互作用（此即WIMP）；另一种可能：它不与标准模型下的各种力发生作用，而是另有一种自成一体的力。”
寻找WIMP

“若属于后一种情况，它就可能通过一种新的矢量粒子，与我们产生互动，原理类似于电磁作用。”他说，“或者通过某种未知的作用和我们互动，但自然界中找不到相关的类比。”
为确定暗物质粒子的构成，研究领域设计了不少实验，大致可归为三类：
粒子探测器——假设暗物质由WIMP构成；
波探测器——假设暗物质由轴子（即暗光子）构成；
以及天文观测，研究暗物质在可观测宇宙中的作用，具体而言，就是引力透镜效应。
如果暗物质由WIMP构成，我们就可以在地下深处设置巨大的液氙池，用于捕捉它们的踪迹。因为顾名思义，WIMP并不与已知物质相互作用，所以探测起来颇为棘手。任何辐射——从宇宙背景辐射到土壤中的微量铀辐射——都可能掺杂进来，混淆视听。
举个例子，意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T实验就深埋于一座大山之下。它用到的每一件设备都采用绝无辐射的不锈钢，纯手工打制而成，普渡大学物理学与天体学副教授拉斐尔·朗（Rafael Lang）介绍说。它用到了地球上纯度最高的液氙，而且有一吨之多，这种液氙只含有一万亿分之一（1 ppt）的氪杂质——比自然界中的液氙纯净好几个数量级。XENON1T是迄今为止最为灵敏（也可理解为“辐射最低”）的WIMP探测器。
“我们的办法就是拿一个桶，里面装满液氙，然后坐等WIMP粒子击中这桶液氙。”朗解释说。该装置的主探测器为液氙时间投影室（LXeTPC），外层为低温冷却的液氙，然后液氙的外层还有一套大型容器，装满了净化水，起到进一步屏蔽辐射的作用。
其原理是，在如此严密的屏蔽措施之下，能够长驱直入的也只有WIMP了。而且，若有WIMP击中某个氙原子核，碰撞将导致液氙发生振荡，形成一闪而过的可见光，被LXeTPC探测到。
在美国，还有一套名为LUX-ZEPLIN的实验设备，坐落于南达科他州，隶属于美国劳伦斯伯克利国家实验室，目的也是寻找WIMP。“其基本原理是，建一个超豪华版的盖革计数器（用于探测电离辐射的粒子探测器——译注）。”斯坦福大学粒子物理学与天体学教授丹尼尔·阿克布博士（Daniel Akerib）说。
探寻WIMP的地下装置不仅限于XENON1T和LUX-ZEPLIN。作为低温暗物质搜寻计划（CDMS）的一部分，美国能源部正与SLAC合作，共同构建萨德伯里微中子观测站实验室（SNOLAB），利用安大略省的一座镍矿（由淡水河谷公司拥有并运营），在地下两千米处设置暗物质探测器。该实验室将于2018年启动。

但是到目前为止，这些实验都没能明确捕捉到WIMP与氙原子核的相互作用，原因可能是“弱相互作用”这一本质，但也有可能是假设错了。若构成暗物质的并非大质量粒子，而是轴子这样的轻粒子，那么，它们就无法被LUX-ZEPLIN和XENON1T等探测器探测到。
然而，科学界还有暗物质无线电接收器（DMR）、费米实验室（Fermilab）的轴子暗物质实验（ADMX）或阿塔卡马探路者（APEX）等等针对另一套设想的实验，它们或许可以破解这道谜题。
轴子在哪？

“如果构成暗物质的是一种足够轻的无旋粒子，其表现将更贴近电磁波而不是粒子。”舒斯特解释说。这里的“足够轻”意为“电子质量的十亿分之一”。
“这就意味着，要构成这个星系中的暗物质，所需的粒子要多得多。”斯坦福物理学副教授彼得·格雷厄姆（Peter Graham）说。“这也就意味着很难在实验中寻找到单个轴子的单一信号。因为它的能量实在太低。”
就好比一滴水无法凿穿岩壁，但一条河流就可以，研究人员不得不观测轴子的总体效应。就以斯坦福大学的DMR为例，其实验原理与地面无线电接收机很像，只不过规模扩大到了宇宙级。
和粒子探测器相比，这一思路面临的是另一番挑战。举个例子，无线电接收机不用埋藏于地底深处，以避开宇宙射线的干扰。但是，它必须装在一个导电箱内，以屏蔽背景无线电噪音。此外，粒子探测器开启之后，往往一跑就是一年。而这些无线电每10至15分钟，就可以将各个频率都搜一遍。一旦发现共振频率，研究人员立刻就能算出单个轴子的质量。
构成暗物质的究竟是WIMP还是轴子，这对我们理解宇宙影响重大。
“暗物质完全可能是不可见的光子（即轴子），”舒斯特说。“这就意味着，不仅仅存在一种我们未知的力，而且这种力的残余——其载体粒子——在宇宙中的密度足够之大，以至于能产生暗物质。我认为，这会震惊整个学术界。”
若果真如此，一种新的基本力将被发现——其重大程度将丝毫不亚于当初发现电磁作用。
“当然，另一种可能是，暗物质由已知粒子构成，但与一种我们未知的力相互作用。”舒斯特说。“这一可能性类似于WIMP猜想，只不过，与这其作用的力不是已知的，而是未知的。这种不可见的光子充当了介质的作用。”
仰望星空

一些天文学的手段更加直接：在宇宙中搜寻暗物质的证据。
暗物质巡天望远镜（DES）自2013年起，就开始在智利的托洛洛山美洲际天文台收集数据，而大型综合巡天望远镜（LSST）也将于2021年启动，科学家们希望，引力透镜效应或许能打开暗物质的直接观测之门——就弱相互作用基本粒子而言，这已经是最“直接”的观测方式了。
这些巡天望远镜观测暗物质的原理，跟我们观测黑洞的原理是一致的：寻找被它们弯曲的光线。“如果你在观测远处物体的时候，中间有一堆质量积聚，那么，物体传来的光线就会绕道而行，使你看到扭曲的图像。”SLAC物理学教授、LSST项目负责人史蒂夫·卡恩（Steve Kahn）说。

DES和LSST都将利用这一效应，在太空中寻找暗物质团。“在天空中，相互靠近的星系之间也会呈现出类似的弯曲……”卡恩说。“所以，这种透镜效应就相当于‘看到’暗物质了。暗物质是不可见的，但我们可以推测出它的存在，及其引力透镜在星系背景中的分布。”在这种方式下，我们还能计算出那些质量积聚与我们的距离。
然而，截至目前，人类的宇宙探秘之旅才刚刚起航。
“如果最后发现，剩下的大部分都是一些简单、孤立的粒子，没有什么相互作用，那将会非常出人意料。”舒斯特总结说。“我认为，更有可能的情形是，暗物质还涉及到很多力，很多相互作用。而这些都需要我们去寻找。”
翻译：雁行
来源：engadget.com
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给我闪

这些天，这个悟空卫星火了，一些报道说发现暗物质了，哈哈，如果真是这样的话，那可是天下第一件大事啦，将是21世纪最伟大的事件，人类在宇宙探索方面的一大发现和进步，将对人类今后的走向和文明产生巨大的推动。悟空卫星的正式名称是“悟空号”暗物质粒子探测卫星，是中国科学院发射的4颗科学实验卫星之一，是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。
那么什么是暗物质呢？早在1915年，爱因斯坦的相对论提出了宇宙有限封闭理论，认为宇宙中物质平均密度为每立方厘米应该是5*10^-30克，可至今观测到的宇宙密度却比这个值小100倍。那么这些物质到哪里去了？科学家就把这些“失踪”的物质叫“暗物质”。这个理论刚提出时只是一种理论假设，到了上世纪八十年代，科学家们经过几十年的探索发现，占宇宙能量密度大约20%的暗物质已被广为接受了 。随着宇宙膨胀理论广泛运用，宇宙学家们发现宇宙中的星系天体等可见普通物质仅占宇宙中质量的4%，另外96%由暗物质与暗能量占据。
现代理论普遍认为，暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，更谈不上今天的人类了。现在知道暗物质的重要性了吧？如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。我们已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分还不清楚。所以，对暗物质研究是世界顶尖科学研究项目，如果能够有所突破，将揭开宇宙的许多奥秘。

这样来说，我们的悟空卫星的发生和探索，就是一个世界级的壮举了，这也是中国在基础研究上弯道超车的一个重大举措。悟空号2015年年底发射上天，在500公里的太阳同步轨道运行，经过两年的持续观测，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。“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”。他说，“之前没有人发现过“。这个成果是来之不易的。两年来“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。
虽然这些成果堪称重大，但毕竟不是发现了暗物质，只能说是为探索暗物质迈进了一步，有可能是摸到了暗物质的”踪迹“，这个成果也还有待多方面的研究跟进和验证，一些媒体所发现了暗物质是过分放大了这次成果。”悟空“首席科学家常进指出，再过五到十年，一定会有一个更圆满的交代。所以”悟空“要真正揭开暗物质的面纱还须再接再厉，任重道远。