捕捉暗物质

张超

在《西游记》里，孙悟空拥有一双“火眼金睛”，捉妖降魔，无所不能。而在宇宙空间中，我国也有一双洞察暗物质踪迹的“火眼金睛”，它就是中国科学院紫金山天文台主导研发的暗物质粒子探测卫星“悟空”，它是我国发射的第一颗暗物质粒子探测卫星。北京时间2017年11月30日，英国《自然》杂志在线发表了“悟空”的首批成果——探测器在特定的能量区域观测到了尖锐的能谱信号，这为“探索暗物质”这一世纪性的物理学难题提供了新的线索。

发现暗物质的线索

宇宙中的各种天体之间通过引力作用，形成了包括星系在内的复杂的天体系统。1937年，美国加州理工学院的天文学家发现，后发座星系团必须有当时观测到的已知物质400倍的质量存在，才能提供足够的引力维系该星系团内物质的运动。随着宇宙探测技术的提升，在大量的星系里，科学家都发现了这种质量缺失的现象，而这便是由暗物质造成的。

如果没有特殊的物理现象，我们观测到的由天体活动产生的电子能谱信号是平滑递减的。例如，宇宙中能量巨大的γ射线因为能量损失，无法达到地球，所以观测到的数量十分少；如果因为特殊的物理机制产生了一个特定能量的γ射线，那么在探测器中就能观测到一个强烈的电子能谱信号。北京时间2017年11月27日，中国科学院发布“悟空”在1.4万亿电子伏特的能量区域附近发现了一个新的能量信号，而这极可能是由暗物质造成的。

隐身精灵——暗物质

以现有的技术手段，物质要被观测到，就必须转换为电磁信号，科学家通过分析不同频段的电磁信号的来源来研究物质背后的物理本质。如果一个物体自身无法发出电磁信号，这就意味着它无法被直接观测到；如果它不与电磁信号发生作用，那么它就很难被观测到，而暗物质就属于这样的隐身精灵。

暗物质大量存在于宇宙空间中，而我们只能从由引力作用产生的各类天体运动中窥探到它的踪迹。暗物质存在的意义重大，天文物理学中诸多的物理现象只能用暗物质才能解释。例如，在爱因斯坦相对论的描述中，光线经过大质量的天体附近时，光线会产生类似穿过透镜时的弯曲现象，这就是所谓的引力透镜现象。经X射线天文卫星的观测结果证实，暗物质引起的引力透镜现象已经被观测到。

对于神秘莫测的暗物质，目前，科学家共有三种方式可以对其进行研究。

第一类是建造粒子对撞机，将普通粒子加速到光速，然后产生碰撞，制造出暗物质产生所需要的温度以产生暗物质粒子。目前全世界最大的粒子对撞机是位于瑞士日内瓦和法国边界的大型强子对撞机，它的周长达到了27千米，能將粒子加速到十几万亿电子伏特的能量进行碰撞，并希望由此产生暗物质。

第二类是发射暗物质粒子探测卫星，探测暗物质在湮灭或者衰变过程中产生的电磁信号产物。“悟空”就是利用这种方式搜索、探测暗物质的。

第三类是建造地下实验室，用于观测暗物质粒子与核子产生散射的产物。由上海交通大学主导开展的PandaX实验，探测弥散在地球周围的暗物质粒子碰撞到氙原子核可能发出的微弱信号。经过精确的测量分析，PandaX实验已基本确认1万亿电子伏特的能量区域内已难以找到暗物质的存在证据。

“悟空”的过人之处

“悟空”拥有十分强大的宽波段探测能力，在500千米高的太阳同步轨道，它能探测到能量范围从50亿电子伏特到10万亿电子伏特的宇宙射线。它每天扫描整个空间4次，平均可收集500万个宇宙射线。自2015年底发射至今，“悟空”总共获取了约35亿个宇宙射线，并在这些信号中犹如“大海捞针”般捕捉到了1.4万亿电子伏特区域附近的能量信号波动。

得益于科学家的精巧设计，“悟空”的分辨能力很强，它搭载的暗物质粒子探测器能对高能电子和γ射线进行高精度的测量，并且能剔除大量的背景信号，对电子的鉴别能力远远超过了以往仪器的探测能力。这也是它能在短时间内找到1.4万亿电子伏特处这一能量信号异常波动的根本原因。

在众多的探测结果中，“悟空”重新确认了在9千亿电子伏特处的一个信号，新发现了位于1.4万亿电子伏特处的一个信号。由于以往开展的关于暗物质的研究结果已基本排除了1万亿电子伏特以下存在暗物质粒子的可能，所以1.4万亿电子伏特处的信号就显得尤为重要。不过，这个能量信号虽然有可能是由暗物质产生的，但也有可能是由中子星、超新星等天体活动产生的。要确定它的真实面目，我们还需等待科学家更多的探索，揭开宇宙空间更多的秘密！endprint