這是一只勤奮的“猴子”，它每天繞地球飛行15圈，每圈4萬多公里，一天下來“騰云駕霧”60多萬公里;這是一只練就了“火眼金睛”的“猴子”，它肩負(fù)著中國人的空間科學(xué)夢想，在茫茫宇宙中捕捉神秘的“幽靈”——暗物質(zhì)

　　11月27日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”騰空700多天后，暗物質(zhì)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)宣布：“悟空”獲得了目前國際上最精確的TeV電子宇宙射線能譜，并首次直接測量到了該能譜在1TeV(1萬億電子伏特)處的拐折。

　　“雖然我們現(xiàn)在還不知道這些結(jié)果代表著什么，但這些結(jié)果出乎我們意料，它有可能將改變我們看待宇宙的方式。”《自然》中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致表示。在科學(xué)家們看來，這或許意味著一個(gè)新的天文現(xiàn)象，當(dāng)然也有可能是來自暗物質(zhì)的信號(hào)。

　　宇宙“幽靈”暗物質(zhì)

　　揭開暗物質(zhì)之謎將是物理學(xué)的革命性突破

　　仰望璀璨星空，未知永遠(yuǎn)存在。如果把21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)比作“晴朗的天空”，那么暗物質(zhì)和暗能量，就是天空中的“兩朵烏云”。

　　上世紀(jì)30年代，最早提出暗物質(zhì)概念的瑞士天文學(xué)家弗里茲·茲威基發(fā)現(xiàn)，大星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)速度非?？?，但星系團(tuán)中直接可見物質(zhì)所產(chǎn)生的引力遠(yuǎn)不足以將各個(gè)星系聚攏在一起。他認(rèn)為，宇宙中除了可見物質(zhì)之外，應(yīng)該還存在著一種“看不見的物質(zhì)”——暗物質(zhì)。

　　最新的宇宙觀察發(fā)現(xiàn)，宇宙更像一個(gè)由3部分組成的大餅，人類目前熟悉的普通物質(zhì)(也就是標(biāo)準(zhǔn)粒子物理模型能解釋的物質(zhì))僅占4.9%，其余95%以上是人類還沒弄清楚的暗物質(zhì)(26.8%)和暗能量(68.3%)。

　　究竟什么是暗物質(zhì)?一個(gè)“暗”字道出了本質(zhì)——“看不見”的物質(zhì)。這種看不見，不是說在可見光波段肉眼看不見，而是即便使出“十八般武藝”，動(dòng)用以往熟知的任何探測手段，諸如紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。個(gè)中原因很簡單，它不反射光也不發(fā)出電磁波，像幽靈一樣神秘而無法感知。

　　雖然來無影去無蹤，但科學(xué)家們堅(jiān)信，揭開暗物質(zhì)之謎，將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學(xué)之后，物理學(xué)的又一次革命性突破。屆時(shí)，人類對物質(zhì)、時(shí)空和宇宙起源等基本問題將會(huì)有更深的認(rèn)識(shí)。

　　如何才能捕捉到這只藏身于宇宙黑暗處的“幽靈”?目前，科學(xué)家們主要采用3種探測方法，直接探測、間接探測和對撞機(jī)探測。

　　直接探測，即探測暗物質(zhì)粒子和普通原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)，我國四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室就是采取這種方法窺探暗物質(zhì)。對撞機(jī)探測，即在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)。間接探測，即通過探測暗物質(zhì)粒子湮滅后產(chǎn)生的看得見的粒子(普通粒子)，來探測看不見的暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”就屬于此種。

　　根據(jù)暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總工程師、紫金山天文臺(tái)研究員范一中的說法，兩個(gè)暗物質(zhì)粒子如果相碰撞并湮滅，可能會(huì)產(chǎn)生易于探測的高能正負(fù)電子對、高能伽馬射線、質(zhì)子或反質(zhì)子流等高能宇宙射線。如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡，間接證明暗物質(zhì)的存在。

　　“‘悟空’的核心使命就是在宇宙射線和伽馬射線輻射中尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，并進(jìn)行天體物理研究。”中國科學(xué)院院長白春禮說。

　　“火眼金睛”探太空

　　“悟空”承載著尋出暗物質(zhì)的重任一飛沖天

　　就像《西游記》中唐僧從五指山下將孫悟空解救出來，給了他一次新生。現(xiàn)實(shí)中，“悟空”的誕生也與一個(gè)人密不可分，他就是暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長常進(jìn)。

　　10多年前，常進(jìn)參與了美國一個(gè)長周期氣球試驗(yàn)，對高能電子進(jìn)行觀測。這次實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇異現(xiàn)象：高能電子流量在3000億至8000億電子伏特能量區(qū)間顯著超出了模型預(yù)計(jì)的流量。

　　這些不明高能電子到底是不是暗物質(zhì)粒子湮滅時(shí)所產(chǎn)生的“罪證”，還是來自一些天體，諸如脈沖星(也就是旋轉(zhuǎn)的中子星)、超新星遺跡等?這在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界曾引起軒然大波。因?yàn)樗@相關(guān)數(shù)據(jù)太少，置信度不高，常進(jìn)也無法確定。但這一發(fā)現(xiàn)讓他從此魂?duì)繅衾@，“如果我能夠做一個(gè)更大的探測器，并把它放到衛(wèi)星上，或許就能夠判斷這是不是暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能電子”。

　　就這樣，2015年12月17日，承載著尋出暗物質(zhì)這一“幽靈”重任的“悟空”一飛沖天。按照范一中的解釋，在地球大氣層外的太空，盡管物質(zhì)非常稀薄，但傳播著一些高能粒子，主要是質(zhì)子、氦核等，也包含少量電子。暗物質(zhì)湮滅過程中產(chǎn)生的正、負(fù)電子對，有可能在電子宇宙射線的總能譜中產(chǎn)生一些特殊信號(hào)。而捕捉這些信號(hào)這正是“悟空”的首要科學(xué)目標(biāo)。

　　“‘悟空’衛(wèi)星采用了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對高能電子、伽馬射線的經(jīng)濟(jì)適用型觀測。”中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說。

　　這確實(shí)是個(gè)突破。以阿爾法磁譜儀2號(hào)為例，它雖然能長時(shí)間觀測，但耗資高，造價(jià)約為20億美元。相比之下，造價(jià)約7億元人民幣的“悟空”，要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠得多。

　　當(dāng)然，看得清、測得準(zhǔn)才是“悟空”的最大“賣點(diǎn)”。作為目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)和粒子鑒別能力最強(qiáng)的高能粒子探測衛(wèi)星，“悟空”由衛(wèi)星平臺(tái)和4個(gè)有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器。它們共同構(gòu)成一個(gè)高能粒子望遠(yuǎn)鏡，最高可觀測能量是國際空間站“阿爾法磁譜儀”的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。

　　這是什么概念?常進(jìn)打了個(gè)比方，好比你抬頭去看兩米多高的籃球運(yùn)動(dòng)員，不只能看到他身上的細(xì)胞，還可以看到分布其中的血小板。

　　宇宙觀測新窗口

　　“悟空”的電子宇宙射線能量測量范圍顯著提高

　　“表現(xiàn)堪稱完美!”提及在太空中遨游了700多天的“悟空”，吳季有些激動(dòng)。他說，衛(wèi)星在軌接近兩年，到目前為止所有探測器性能和剛發(fā)射時(shí)一樣，保持滿分狀態(tài)，在天上沒有浪費(fèi)一分鐘。

　　“悟空”以平均每秒60個(gè)高能粒子、每天500萬個(gè)高能粒子的速度，晝夜不停巡視。它在軌運(yùn)行的前530天，共采集了約28億高能宇宙射線，其中包含約150萬例25GeV(GeV為十億電子伏特)以上的電子宇宙射線?；谶@些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的TeV電子宇宙射線探測結(jié)果，該成果于今年11月30日(北京時(shí)間)在國際頂級(jí)期刊《Nature》雜志在線發(fā)表。

　　常進(jìn)告訴《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》記者，與之前結(jié)果相比，“悟空”的電子宇宙射線能量測量范圍比國外的空間探測設(shè)備有顯著提高，拓展了人類觀察宇宙的窗口。此前，TeV以上還沒有人在天上準(zhǔn)確觀測過。與此同時(shí)，測量到的TeV電子的“純凈”程度最高(也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少)，能譜的準(zhǔn)確性高。

　　更讓常進(jìn)驚喜的是，“悟空”首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1TeV處的拐折：能譜在0.9TeV以下流量下降相對平緩，而之上卻陡峭得多。

　　“之前雖有地面實(shí)驗(yàn)宣稱發(fā)現(xiàn)了拐折跡象，但數(shù)據(jù)誤差實(shí)在太大，而今年年初Fermi衛(wèi)星說沒有看到這個(gè)拐折。‘悟空’直接測量到了這一拐折。”范一中解釋，如果暗物質(zhì)直接湮滅到正、負(fù)電子對，那么能譜上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常陡的截?cái)?，而天文模型，例如脈沖星給出的能譜則非常的光滑。因此，1TeV以上的能譜精確測量非常關(guān)鍵。

　　“該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定部分(能量低于1TeV)電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。”范一中稱。

　　出乎常進(jìn)等人的意料，電子宇宙射線能譜在1.4TeV處似乎存在尖峰狀結(jié)構(gòu)。范一中說，“悟空”目前只收集到了一年多的數(shù)據(jù)，還需要兩到三年的數(shù)據(jù)才能對這一尖峰結(jié)構(gòu)進(jìn)行更具體判斷。至于它是不是暗物質(zhì)，更需要詳實(shí)數(shù)據(jù)去研究?，F(xiàn)在，他們的任務(wù)除了深入發(fā)展分析的方法，就是等待“悟空”收集更多數(shù)據(jù)。

　　正如偉大科幻小說作家艾薩克·阿西莫夫曾經(jīng)說過的那樣，在科學(xué)探索中能聽到的最激動(dòng)人心的一句話，即在最重要的新發(fā)現(xiàn)之前出現(xiàn)的短語——不是“尤里卡，我找到了!”而是“嗯，這挺奇怪!”

　　我們期待，“悟空”刺破蒼穹，用它的火眼金睛，撥開天空中的那朵“烏云”，還我們一個(gè)更清晰的宇宙。