中國暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首批成果公布
“悟空”火眼金睛看到了奇特天體？
近日，《自然》雜志報(bào)告了中國暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”的首批探測(cè)成果：“悟空”測(cè)量到電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特(TeV)能量處的一個(gè)“拐折”，這或許代表著暗物質(zhì)“幽靈”一閃而過的身影。
暗物質(zhì)，被稱為現(xiàn)代物理學(xué)天空的烏云之一，它占宇宙總比重約27%，比我們熟知的普通物質(zhì)多5倍。但它卻又不同于現(xiàn)代物理學(xué)里已知的任何種類或形態(tài)的物質(zhì)?？茖W(xué)家認(rèn)為，對(duì)暗物質(zhì)本質(zhì)的理解，可能會(huì)帶來對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)顛覆性的突破。
但是，“悟空”這次的發(fā)現(xiàn)能說明暗物質(zhì)存在嗎？它又是如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)可能的暗物質(zhì)“身影”？對(duì)此，南方日?qǐng)?bào)記者采訪了紫金山天文臺(tái)“悟空”團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家，對(duì)這些問題進(jìn)行解讀。
●南方日?qǐng)?bào)駐京記者 王詩堃
策劃統(tǒng)籌：張志超
“悟空”看到了宇宙中的什么？
“悟空”于2015年12月17日發(fā)射升空，英文名叫DAMPE，也即“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”(Dark Matter Particle Explorer)的縮寫。“悟空”飛天，其核心任務(wù)就是在宇宙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。
盡管耗資1億美元的“悟空”號(hào)成本相對(duì)較低(國際上的空間暗物質(zhì)探測(cè)器阿爾法磁譜儀AMS-02、費(fèi)米衛(wèi)星分別耗資20億、7億美元)，但“悟空”號(hào)有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——“高能電子、伽馬射線的能量測(cè)量準(zhǔn)確度”和“區(qū)分不同種類粒子”的本領(lǐng)，卻在世界上領(lǐng)先。而且，它尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過程中產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜(指電子數(shù)目隨能量變化的情況)信號(hào)。
對(duì)于“悟空”這一新發(fā)現(xiàn)，《自然》中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致(Ed Gerstner)引用了科幻作家阿西莫夫的話來形容——
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！”
在此次公布的“悟空”觀測(cè)數(shù)據(jù)中，最出乎科學(xué)家預(yù)料的是：電子宇宙射線能譜在1.4萬億電子伏特能量處產(chǎn)生了一個(gè)“拐折”。
“悟空”團(tuán)隊(duì)科學(xué)家、中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)告訴南方日?qǐng)?bào)記者，“我們認(rèn)為這個(gè)‘拐折’主要是來自于天文原因，很可能和高能電子源的空間分布有關(guān)，從而也表明TeV能量以下的電子不是主要來自于暗物質(zhì)。更出乎意料的是，在1.4萬億電子伏特能量處電子數(shù)目突然增多，在能譜上體現(xiàn)為一個(gè)跳點(diǎn)。如果這一現(xiàn)象得到后續(xù)更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)，這將是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)”。
袁強(qiáng)介紹，這種現(xiàn)象有兩種解釋：除了可能是來自于暗物質(zhì)粒子湮滅的信號(hào)外，還有可能意味著太陽系鄰近區(qū)域，存在某種“奇特天體”可以將電子加速到單一能量。
不過，即使不是暗物質(zhì)，這種能夠發(fā)出“跳點(diǎn)”信號(hào)的天體，也是前所未有的新發(fā)現(xiàn)。
距離發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)還有多遠(yuǎn)？
“大質(zhì)量弱相互作用粒子”，這是科學(xué)界對(duì)暗物質(zhì)粒子模型的主流設(shè)想。按這種模型，如果暗物質(zhì)由大質(zhì)量弱相互作用粒子構(gòu)成的話，這些粒子偶爾會(huì)發(fā)生互相湮滅，并且形成正負(fù)電子對(duì)。從本質(zhì)上說，暗物質(zhì)本身不可見，但暗物質(zhì)湮滅或衰變時(shí)會(huì)產(chǎn)生看得見的粒子。“悟空”的“火眼金睛”，正是通過尋找“大質(zhì)量弱相互作用粒子”湮滅的信號(hào)，間接證實(shí)暗物質(zhì)。
科學(xué)家曾用“盲人摸象”形容對(duì)“悟空”原始數(shù)據(jù)的處理。據(jù)了解，“悟空”每天傳送回500萬個(gè)粒子信息，粒子包括原子、電子、中子等。原子由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成，電子與正電子會(huì)因碰撞而湮滅，并在這過程中產(chǎn)生光子。500萬個(gè)粒子信息中，電子只有不到千分之一，而光子只有十萬到百萬分之一。
對(duì)于科學(xué)家來說，“悟空”在近兩年在軌時(shí)間里獲得的數(shù)據(jù)仍然不夠，他們還需要更多工作來確認(rèn)新的發(fā)現(xiàn)。
暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員范一中告訴南方日?qǐng)?bào)記者，“數(shù)據(jù)中存在有趣的現(xiàn)象，可能和暗物質(zhì)有關(guān)系。但是現(xiàn)在我們項(xiàng)目組最重要的是積累更多數(shù)據(jù)，開展獨(dú)立的分析方法，確定1.4萬億電子伏特能量處超出是一個(gè)真實(shí)的物理信號(hào)而不是統(tǒng)計(jì)漲落。”
袁強(qiáng)也表示，“根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，這個(gè)結(jié)構(gòu)有百分之零點(diǎn)零幾的可能性是一個(gè)假信號(hào)。而我們需要把這個(gè)可能性進(jìn)一步降低，那樣才有把握說我們發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象。”
“再過1—3年，預(yù)期它在我們最為期待的1.4萬億電子伏特能量處觀測(cè)電子數(shù)將積累到150—200個(gè)，那時(shí)結(jié)論會(huì)更確定。無論這些電子來源于哪里，都將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的嶄新發(fā)現(xiàn)。”“悟空”首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長常進(jìn)此前曾表示。
袁強(qiáng)還表示，“悟空”的數(shù)據(jù)里還包括大量的宇宙射線以及一些伽馬射線，這些數(shù)據(jù)對(duì)于天體物理的研究也很重要，也需要我們逐步加以分析和發(fā)掘。
怎樣才能尋找到暗物質(zhì)？
“暗物質(zhì)是目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的一種全新的粒子。”從事暗物質(zhì)研究的中國科學(xué)院高能物理所研究員畢效軍對(duì)南方日?qǐng)?bào)記者表示，直接找到暗物質(zhì)并確認(rèn)其屬性，能夠?yàn)槲覀兲剿鞅葮?biāo)準(zhǔn)模型更深層次的物理規(guī)律提供了線索，可以說是打開了走向更深層物質(zhì)規(guī)律的一扇門。
袁強(qiáng)也表示，暗物質(zhì)屬性奇特，它們不發(fā)光、不參與電磁作用，不同于現(xiàn)代物理學(xué)里已知的任何種類、形態(tài)的物質(zhì)。對(duì)暗物質(zhì)本質(zhì)的理解，必然將帶來對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的突破，而這個(gè)突破很可能是顛覆性的。
袁強(qiáng)告訴記者，目前，科學(xué)界探測(cè)暗物質(zhì)主要有三種辦法：“悟空”采用的是空間間接觀測(cè)法，原理是觀測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變產(chǎn)生的普通粒子來間接探測(cè)暗物質(zhì)。
據(jù)了解，除了“悟空”號(hào)，還有國際空間站上正在進(jìn)行的AMS-02實(shí)驗(yàn)、美國的費(fèi)米衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)都在尋找暗物質(zhì)信號(hào)，他們和“悟空”號(hào)屬于相同的探測(cè)方式。
另一種辦法是直接探測(cè)，原理是建造大型探測(cè)器，等待暗物質(zhì)粒子“撞上來”。“因?yàn)榭諝庵杏写罅康挠钪嫔渚€輻射，為得到一個(gè)干凈的測(cè)量環(huán)境，通常這類實(shí)驗(yàn)要到很深的地下去做。目前，我國在四川錦屏山下建有一個(gè)國際上最深的深地實(shí)驗(yàn)室，是非常理想的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)今，錦屏實(shí)驗(yàn)室開展有PandaX和CDEX兩個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。”袁強(qiáng)表示，第三種辦法則是通過高能粒子對(duì)撞機(jī)制造出暗物質(zhì)粒子。這三種辦法可互為補(bǔ)充，共同為揭開暗物質(zhì)之謎努力。
