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2015年12月16日，“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星-悟空”的新浪微博。
“我也會(huì)取回真經(jīng)的。”
2015年12月17日上午，長征二號(hào)D型運(yùn)載火箭搭載我國首顆空間粒子探測衛(wèi)星“悟空”，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，自此開啟一段探測宇宙線粒子的求索之旅。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空。（新華社 賀萌 繪）
“悟空”的大名叫暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer， DAMPE），長1.5米，寬1.5米，高1.2米，總重1.85噸，相當(dāng)于一輛四四方方的小客車。“悟空”這個(gè)名字是從來自全世界的3萬多個(gè)命名提案中脫穎而出的。這是因?yàn)槲覀兤诖滴镔|(zhì)粒子探測衛(wèi)星能像齊天大圣孫悟空一樣，領(lǐng)悟太空、探索太空，并取回“真經(jīng)”，而“悟空”要取回的真經(jīng)，就是有關(guān)暗物質(zhì)的線索。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（新華社 賀萌 繪）
20世紀(jì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象，比如在銀河系中，恒星環(huán)繞銀河系中心的運(yùn)動(dòng)速度與推測的不同。萬有引力定律告訴我們，距離越遠(yuǎn)，引力越小。在太陽系中，行星繞太陽公轉(zhuǎn)的速度隨著離太陽的距離增大而降低，天文觀測數(shù)據(jù)顯示，在銀河系中，物質(zhì)主要集中在中心區(qū)域，在銀河系外圍區(qū)域，能觀測到的物質(zhì)很稀少。那么跟太陽系類似，銀河系中心區(qū)域的恒星圍繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)的速度就應(yīng)更快，越往外的恒星，運(yùn)動(dòng)得越慢。
行星繞著太陽轉(zhuǎn)。（新華社 賀萌 繪）
但是實(shí)際上卻沒有這么簡單。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銀河系外圍區(qū)域和中心區(qū)域的恒星沒有明顯區(qū)別，同樣保持較高的速度運(yùn)動(dòng)——這就太奇怪了。以現(xiàn)有數(shù)據(jù)推算，如果保持外圍恒星以如此高的速度運(yùn)動(dòng)，銀河系里能看到的全部物質(zhì)的引力都加起來也不夠。
我們可以想象自己在拋鐵餅——隨著轉(zhuǎn)圈變快，鐵餅很容易脫手并以很高的速度飛出去。但這些在外圍高速運(yùn)動(dòng)的恒星為什么還留在銀河系里呢？
既然僅憑銀河系中心區(qū)域的引力無法讓外圍恒星保持如此高的運(yùn)動(dòng)速度，那么科學(xué)家們很自然就會(huì)想到，還有一些別的物質(zhì)提供引力，“拉”住了這些恒星。也就是說，銀河系外圍區(qū)域只是“看起來”很荒涼，實(shí)際上卻存在大量看不見的物質(zhì)。這些物質(zhì)真實(shí)存在，提供引力，但無法參與電磁作用，所以我們沒辦法用望遠(yuǎn)鏡在任何波段觀測到。
這種不發(fā)光卻提供引力的物質(zhì)，就被稱為暗物質(zhì)。
根據(jù)現(xiàn)代天文學(xué)的宇宙模型計(jì)算，整個(gè)宇宙中，普通物質(zhì)的比例不到5%，暗物質(zhì)的比例在27%左右，另外還有約68%占比的東西是更為神秘的暗能量。暗物質(zhì)含量超出普通物質(zhì)4倍多 ，廣泛存在于我們的宇宙中。
宇宙是由5%普通物質(zhì)，95%暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成的大餅。（新華社 賀萌 繪）
但問題是，暗物質(zhì)既不發(fā)光，又幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，更無法用普通物質(zhì)制造出來的容器裝起來，我們要怎么尋找它呢？
一個(gè)可行的方法是，等待暗物質(zhì)自己產(chǎn)生能被我們觀察到的蛛絲馬跡。
暗物質(zhì)之間可能會(huì)發(fā)生相互碰撞，而碰撞的結(jié)果是產(chǎn)生新的粒子，比如能量特別高的電子。電子是我們能夠探測到的東西。太空里有各種粒子，帶電或不帶電，帶正電或負(fù)電，質(zhì)量大或小，就拿電子這一種粒子來說，還有能量比較高和比較低的。
統(tǒng)計(jì)太空中不同能量的電子分布是間接探測暗物質(zhì)的方法之一。如果真的存在暗物質(zhì)，暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生新的能量比較高的電子，那么這些電子的數(shù)據(jù)就會(huì)偏離設(shè)想的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，顯示出特殊變化。比如某一種能量的電子突然增多了，那么就可能是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。
我們看不到暗物質(zhì)，但可以通過間接手段觀測它。（新華社 賀萌 繪）
也就是說，我們看不見暗物質(zhì)，但能看見暗物質(zhì)“打架斗毆”的“產(chǎn)物”。
“悟空”就擅長“看見”這些產(chǎn)物。
“悟空”衛(wèi)星專門收集不同的粒子，按照不同類別分類記錄，并精確測量粒子的能量和方向等物理量。類似的工作，國際上的費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡和丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀二號(hào)（AMS-02）也在做。那中國的“悟空”有什么獨(dú)特的優(yōu)勢嗎？
還真有優(yōu)勢。
“悟空”團(tuán)隊(duì)發(fā)布的科學(xué)成果
這張圖的橫坐標(biāo)是電子的能量，越往右表示能量越高；縱軸相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)了每種能量的電子的數(shù)量。通常我們用電子伏特（eV）描述電子能量，1電子伏特即1個(gè)電子被1伏特電壓加速后獲得動(dòng)能的值。1GeV即10億電子伏特?？梢姽獾墓庾幽芰看蠹s只有幾個(gè)電子伏特，而宇宙中高能電子的能量高達(dá)千億至萬億量級(jí)。
如圖，紅色的數(shù)據(jù)點(diǎn)就來自“悟空”。作為對(duì)比，藍(lán)色和綠色分別來自費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡和阿爾法磁譜儀二號(hào)。相較于“費(fèi)米”和阿爾法磁譜儀，“悟空”觀測的能量范圍更高，最高能達(dá)到4.6萬億電子伏特，是前兩者上限的好幾倍。此外，“費(fèi)米”及阿爾法磁譜儀在5000億電子伏特以上能量時(shí)測量誤差都較大，但“悟空”在直至3萬億電子伏特的能量范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)可信度都很高。
也就是說，針對(duì)1萬億電子伏特以上的電子觀測，咱們的“悟空”有著顯著的優(yōu)勢。“悟空”憑借它的“火眼金睛”，就此打開了1萬億電子伏特以上高能電子宇宙線探測的新窗口。
基于這些優(yōu)勢，暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”能夠獲得最精確的高能電子宇宙線能譜。從2015年冬天到2017年夏天，“悟空”衛(wèi)星收集了530天的數(shù)據(jù)，捕獲了28億高能粒子，從中分辨出了150萬個(gè)高能電子。統(tǒng)計(jì)這些電子的能量分布后，2017年11月30日，“悟空”衛(wèi)星公布了首批數(shù)據(jù)。
“悟空”衛(wèi)星得到的高能電子宇宙線能譜，在1000GeV及1400GeV處出現(xiàn)不同尋常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
在圖中的紅色數(shù)據(jù)上，我們可以看到兩個(gè)特別的地方。第一處在1萬億電子伏特的地方，紅色的數(shù)據(jù)點(diǎn)開始往下掉，出現(xiàn)了一個(gè)“拐折”；第二處在大約1.4萬億電子伏特的地方，紅色的數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)高出很多的“跳躍”。
第一個(gè)特征可能與高能電子源的空間分布有關(guān)，表明能量在1萬億電子伏特以下的電子不是主要來自暗物質(zhì)；而該能譜上第二個(gè)明顯的跳躍沒有人預(yù)期到。已知的天體和天文過程均無法產(chǎn)生具有單一能量的電子，這意味著在1.4萬億電子伏特的能量處存在新的粒子。如果這個(gè)異常數(shù)據(jù)可信，那么它可能就是“悟空”要尋找的暗物質(zhì)的證據(jù)。
（來源： www.cas.cn）
當(dāng)然，這個(gè)新結(jié)果可能是暗物質(zhì)的跡象，也有可能是 “誤會(huì)”?！拔蚩铡毙l(wèi)星的科學(xué)家們非常理性地認(rèn)識(shí)到，“悟空”目前發(fā)現(xiàn)的結(jié)果也有可能來自其他原因，比如有限統(tǒng)計(jì)量導(dǎo)致的漲落或者是太陽系鄰近區(qū)域有某種“奇特天體”。“悟空”衛(wèi)星發(fā)射兩年后的第一次科學(xué)成果就已經(jīng)給我們帶來了驚喜，接下來最重要的是積累更多數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家們進(jìn)一步分析可能的原因。
2019年，在通過電子的能譜“看”到新奇現(xiàn)象的線索之后，“悟空”又用它的火眼金睛立下新功——它測量了迄今為止能段最寬也最精確的質(zhì)子能譜。
與電子不同，質(zhì)子的質(zhì)量更大，帶正電荷，傳播距離長，能夠反映銀河系中更遙遠(yuǎn)的天體的活動(dòng)。運(yùn)行近四年，“悟空”共收集到約2000萬個(gè)高能質(zhì)子數(shù)據(jù)。據(jù)此，科研團(tuán)隊(duì)繪制出精確的高能宇宙線質(zhì)子能譜。
圖中的紅點(diǎn)是“悟空”衛(wèi)星的新結(jié)果，其他顏色的數(shù)據(jù)點(diǎn)是國際上同類探測器的結(jié)果對(duì)比。圖中橫坐標(biāo)是質(zhì)子的能量，縱坐標(biāo)可以理解為統(tǒng)計(jì)到的質(zhì)子的數(shù)量。
圖表的對(duì)比數(shù)據(jù)清晰地顯示出，“悟空”衛(wèi)星對(duì)質(zhì)子的探測覆蓋到了更高的能量段。圖上紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)的走勢展示出質(zhì)子流量先上升、后下降的“拐折”結(jié)構(gòu)，尤其后半段的下降趨勢，是“悟空”首次發(fā)現(xiàn)的。
通常的宇宙線加速和傳播模型預(yù)期質(zhì)子能譜應(yīng)為冪律分布，即在圖中不同能量的質(zhì)子數(shù)應(yīng)無明顯結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一種可能是，在太陽附近的宇宙空間中曾經(jīng)有一顆大質(zhì)量的恒星，在它死亡后成為超新星，爆炸后加速了大量宇宙射線，其中就包括這些高能的質(zhì)子。這些已經(jīng)逝去的恒星早就無法觀測到，但它還在通過其過去加速的宇宙線給我們帶來影響。
“悟空”衛(wèi)星最初設(shè)計(jì)使用3年時(shí)間，因?yàn)槠溥\(yùn)行狀態(tài)良好，所以仍舊在太空中繼續(xù)工作。2021年5月“悟空”號(hào)發(fā)表了對(duì)氦核宇宙線的測量成果，也發(fā)現(xiàn)了高能量段宇宙線數(shù)量比理論預(yù)期高的現(xiàn)象。除了帶電粒子，“悟空”也能捕獲高能光子，也就是γ射線，現(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)面向全世界公開發(fā)布。
到2021年，“悟空”已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行6年時(shí)間，比計(jì)劃工作時(shí)間延長了一倍，而且還將繼續(xù)延壽運(yùn)行。作為中國第一臺(tái)基礎(chǔ)科學(xué)衛(wèi)星，“悟空”在粒子鑒別、能量分辨和能段覆蓋等方面國際領(lǐng)先，但其造價(jià)卻又遠(yuǎn)低于國際同類探測器。它的設(shè)計(jì)制造、成功發(fā)射、良好運(yùn)行以及與地面科學(xué)家的協(xié)同科學(xué)工作，共同證明了中國在空間探索方面取得的長足進(jìn)步。
期待暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的科學(xué)成果。（新華社 賀萌 繪）
2021年12月17日是“悟空”衛(wèi)星6歲的生日，它在宇宙空間盡情施展著自己的才華，我們同樣期待它繼續(xù)給我們帶來新的驚喜。如果“悟空”帶回了有關(guān)暗物質(zhì)的粒子存在的證據(jù)，確定了暗物質(zhì)的特性，勢必會(huì)給物理學(xué)帶來新的革命?！拔蚩铡北举|(zhì)上只是一臺(tái)空間宇宙線望遠(yuǎn)鏡 ，能否找到暗物質(zhì)粒子的確鑿證據(jù)仍無定論，但它的火眼金睛，一定能替天文學(xué)家們打開一扇了解宇宙的新窗口，協(xié)助中國天文學(xué)在未來實(shí)現(xiàn)新突破。
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參考文獻(xiàn)
[1]DAMPE Collaboration, Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons. Nature, 2017, 552(63–66).
[2]DAMPE Collaboration, Measurement of the cosmic ray proton spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE satellite. SciAdv., 2019, 5 (9), eaax3793.
[3]DAMPE Collaboration, Measurement of the Cosmic Ray Helium Energy Spectrum from 70 GeV to 80 TeV with the DAMPE Space Mission. Physical Review Letters 2021, 126 (20), 201102.
責(zé)任編輯：胡惠雯
