用衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)

龍學(xué)鋒

2015年12月17日8時(shí)12分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，這標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)研究邁出重要一步?！拔蚩铡笔悄壳笆澜缟嫌^測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，超過國(guó)際上其他同類探測(cè)器。 暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星此次太空之旅共有3個(gè)科學(xué)目標(biāo)：即通過在空間高分辨、寬波段觀測(cè)高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子;通過觀測(cè)TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破;通過觀測(cè)高能伽馬射線，在伽馬天文方面取得重要成果?！拔蚩铡睂⑷绾卧谔罩虚_展高能電子及高能伽馬射線探測(cè)任務(wù)？它將如何探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)？

21世紀(jì)物理學(xué)的兩朵新的烏云

暗物質(zhì)問題是粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問題，其中“什么是暗物質(zhì)”被列在首位;在中國(guó)科學(xué)院制定的創(chuàng)新2050規(guī)劃路線圖中，暗物質(zhì)和暗能量探索被列為可能出現(xiàn)革命性突破的基本科學(xué)問題的第一位。暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是籠罩著21世紀(jì)物理學(xué)的兩朵新的烏云，對(duì)它們的研究很可能會(huì)帶來科學(xué)上的新突破。

暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4。同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)還是個(gè)謎。天文學(xué)家推測(cè)，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，它們占了宇宙質(zhì)量的95%，通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。

之前，人們無法想象這種看不見摸不著的物質(zhì)在宇宙中竟占有95%的比重，假如這種新的理論被科學(xué)證實(shí)，就意味著我們所熟悉的這個(gè)世界，只是零星散布在宇宙中的小小點(diǎn)綴，如同大海中的一滴水，而在宇宙中占比如此大的東西，人類卻一無所知。因此，暗物質(zhì)被科學(xué)界普遍證實(shí)存在，已經(jīng)給人們的觀念帶來了巨大的沖擊，如果在暗物質(zhì)性質(zhì)的研究方面有任何突破性進(jìn)展，那將會(huì)帶來不可估量的科學(xué)影響。科學(xué)家相信，通過探索“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類最終一定能夠了解宇宙的起源。

我們?nèi)绾螌ふ摇鞍滴镔|(zhì)”？

對(duì)于這些擅長(zhǎng)隱身的暗物質(zhì)粒子，科學(xué)家用什么辦法來探測(cè)它們呢？

第一種方法是在加速器上通過兩束高能粒子對(duì)撞將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。如果能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子——而暗物質(zhì)粒子是隱身的，無法被周邊的探測(cè)器記錄到。于是，在科學(xué)家看來，這場(chǎng)粒子碰撞中就會(huì)有很大一部分能量不翼而飛。如果發(fā)生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質(zhì)粒子的存在提供直接證據(jù)。

第二種方法是在地下進(jìn)行的直接探測(cè)，各國(guó)有不少這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中我國(guó)四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。暗物質(zhì)粒子可以說是無處不在，每秒鐘可能有上億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過你的眼睛。當(dāng)然，由于它們隱身能力超強(qiáng)，我們對(duì)此毫無知覺。不過，根據(jù)理論，這些粒子仍會(huì)參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內(nèi)部發(fā)揮作用。因此，盡管暗物質(zhì)粒子是隱身的，并不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個(gè)“樹樁”。被暗物質(zhì)粒子撞上的原子核會(huì)發(fā)光發(fā)熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動(dòng)是科學(xué)家有可能探測(cè)到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質(zhì)粒子撞上去的概率低到幾乎可以忽略?？茖W(xué)家只能采用一個(gè)笨辦法，準(zhǔn)備好一大片森林等兔子來撞。他們?cè)诰薮蟮奶綔y(cè)器里裝上大量反應(yīng)物質(zhì)，等待過路的暗物質(zhì)粒子碰巧撞上其中某個(gè)原子核。當(dāng)然，為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產(chǎn)生的干擾，科學(xué)家往往把這樣的暗物質(zhì)探測(cè)器深埋在地下，讓厚厚的巖層把不會(huì)隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。

第三種辦法，那就是等這些隱身的粒子自行現(xiàn)身。用暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星探測(cè)暗物質(zhì)是基于暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的假設(shè)，即暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變會(huì)形成各種正粒子、反粒子對(duì)，這些粒子對(duì)在太空中傳播就成了宇宙射線和伽馬射線的一部分。暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星就是收集高能宇宙射線粒子和伽馬射線光子，通過分析其能譜、空間分布來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)?！拔蚩铡卑滴镔|(zhì)探測(cè)衛(wèi)星采用的便是第三種辦法，到太空中探測(cè)高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)，并推斷出它們的某些性質(zhì)。

暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星如何施展“神通”？

暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆由中科院自主研究、生產(chǎn)的衛(wèi)星。同以前的衛(wèi)星和國(guó)際同類衛(wèi)星相比，它具有創(chuàng)新性。

首先，這顆衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)不同于以往我國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星，它是以載荷（探測(cè)器）為中心的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中國(guó)科技大學(xué)教授、暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師安琦說，以往衛(wèi)星都是設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)，相當(dāng)于一個(gè)容器，然后把有效載荷置于其中，這時(shí)的有效載荷只能委屈地適應(yīng)容器。而暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)是以載荷為中心，先把有效載荷集中安置好，再把衛(wèi)星的其他部分見縫插針地“鑲嵌”在有效載荷的邊上。這種設(shè)計(jì)使得有效載荷達(dá)到1410千克，平臺(tái)僅為440千克，二者達(dá)到了3.2∶1。這種載荷比在世界上都是極高的。

其次，它是目前世界上觀測(cè)能段范圍最寬、空間和能量分辨率世界領(lǐng)先的高能粒子探測(cè)器。暗物質(zhì)粒子探測(cè)器屬于大型空間高能觀測(cè)設(shè)備，它可以精確測(cè)量宇宙高能粒子的物理特征和空間分布。它的能段是國(guó)際“阿爾法磁譜儀”實(shí)驗(yàn)的10倍，探測(cè)器能量分辨比國(guó)際同類探測(cè)器高3倍以上。

“悟空”通過提高能量分辨和空間分辨的本領(lǐng)，降低宇宙射線背景噪聲，并且采取將探測(cè)器做得足夠大等方法提高靈敏度。以《西游記》中的美猴王名字命名的衛(wèi)星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。位于衛(wèi)星核心部位的BGO能量器包含了300多根縱橫交錯(cuò)排列的晶體，每一根都有2厘米見方、60厘米長(zhǎng)，是世界上最長(zhǎng)的BGO晶體，研制難度非常高。整個(gè)衛(wèi)星中，BGO能量器的重量就占了多半。這些漂亮的“水晶棒”能夠測(cè)量入射粒子的能量，并且由于電子和質(zhì)子與晶體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生類似淋浴噴水形狀的簇射，而電子和質(zhì)子產(chǎn)生的簇射形狀不同，因而科學(xué)家可以區(qū)分出質(zhì)子和電子。

進(jìn)入太空后，“悟空”將在500千米太陽同步軌道上運(yùn)行。它將采取兩種觀測(cè)模式：在頭兩年采用巡天觀測(cè)模式，由于暗物質(zhì)可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對(duì)全天掃描;兩年后衛(wèi)星轉(zhuǎn)入定向觀測(cè)模式，根據(jù)全天區(qū)探測(cè)的結(jié)果分析出暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對(duì)這些區(qū)域開展定向觀測(cè)。

在3年的設(shè)計(jì)壽命中，“悟空”將通過高空間分辨、寬能譜段觀測(cè)高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子，同時(shí)將在宇宙射線起源和伽馬射線天文學(xué)方面取得重大進(jìn)展。首批科學(xué)成果有望在衛(wèi)星發(fā)射6個(gè)月至1年后發(fā)布。

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近10年暗物質(zhì)研究新進(jìn)展

2006年1月6日，劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們?cè)跉v史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。

2006年，美國(guó)天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測(cè)，無意間觀測(cè)到星系碰撞的過程，星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。天文學(xué)家推測(cè)，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25%，暗能量占70%，通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。因此，探測(cè)和研究暗物質(zhì)很可能導(dǎo)致物理學(xué)界新的革命。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了！經(jīng)過4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍(lán)圖”，勾勒出相當(dāng)于從地球上看，8個(gè)月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。這張圖是通過引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實(shí)驗(yàn)室的讓-保羅·克乃伯參加了這張分布圖的繪制工作，他認(rèn)為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)的形狀。

2007年5月16日出版的《天體物理學(xué)雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)。天文學(xué)家們稱，這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的最強(qiáng)有力的證據(jù)。

2013年4月18日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的科學(xué)家報(bào)告稱，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量弱相互作用粒子的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到3個(gè)西格瑪水平，他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的可能性達(dá)到99.8%。

2014年9月18日，程林教授團(tuán)隊(duì)與丁肇中合作的AMS項(xiàng)目重大成果發(fā)布會(huì)在瑞士日內(nèi)瓦舉行，丁肇中主持的實(shí)驗(yàn)室公布AMS項(xiàng)目最新研究成果，宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質(zhì)。丁肇中特委托山東大學(xué)程林教授在國(guó)內(nèi)發(fā)布有關(guān)成果。在已完成的觀測(cè)中，證明暗物質(zhì)存在實(shí)驗(yàn)的6個(gè)有關(guān)特征中，已有5個(gè)得到確認(rèn)。

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