“悟空”PK宇宙大魔頭

范瑜

在剛剛過(guò)去的2017年里，科學(xué)界最后的大新聞應(yīng)該就是“悟空”了：暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”工程團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文，宣布“悟空”獲得了世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。

一般人聽(tīng)到這么大串專業(yè)術(shù)語(yǔ)，應(yīng)該是一臉茫然的表情。電子？宇宙？什么高能？怎么就高能了？事實(shí)上，能譜就是宇宙中各種速度電子的能量曲線。平時(shí)這曲線很平滑穩(wěn)定，但有時(shí)也會(huì)“突變”，某一個(gè)速度的電子數(shù)量增多，這就異常了。通常這種異常非常微弱，很容易被宇宙射線背景信號(hào)淹沒(méi)，但還是被性能杰出的“悟空”探測(cè)到了。

問(wèn)題又來(lái)了。為什么要探測(cè)異常？因?yàn)檫@種電子能譜異常，很可能是暗物質(zhì)粒子碰撞湮滅時(shí)產(chǎn)生高能電子形成的。而暗物質(zhì)，正是近百年來(lái)科學(xué)家們心心念念的神秘存在，是如今科學(xué)界最大謎團(tuán)之一。

所謂暗物質(zhì)，是相對(duì)于我們常說(shuō)的可見(jiàn)物質(zhì)、普通物質(zhì)而言，指宇宙中無(wú)法被人類直接看見(jiàn)或者觀測(cè)到的物質(zhì)。它不跟光波發(fā)生作用，對(duì)各種光作用無(wú)動(dòng)于衷。歷史上，許多科學(xué)界大人物如開(kāi)爾文、龐加萊，都猜想過(guò)“暗物質(zhì)”的存在，但真正讓它浮出水面的，還得歸功于愛(ài)因斯坦。1915年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，推論得到：宇宙物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到5×10-30克/立方厘米才能保持穩(wěn)定。然而，后人觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙物質(zhì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)理論值。

怎么會(huì)這樣呢？1932年，荷蘭天文學(xué)家揚(yáng)·奧爾特給出了自己的設(shè)想，即銀河系中存在大量暗物質(zhì)；第二年，瑞士天文學(xué)家茲威基進(jìn)一步驗(yàn)證，推算出星系團(tuán)平均質(zhì)量與觀測(cè)亮度相差160倍，因而推導(dǎo)出星系團(tuán)里絕大部分物質(zhì)都是看不見(jiàn)的。從此，暗物質(zhì)作為天文領(lǐng)域的“大魔頭”登上歷史舞臺(tái)。

然而，半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去，人們對(duì)暗物質(zhì)的研究依然不明朗。上到衛(wèi)星探測(cè)器，下到地下隧道，從中國(guó)“悟空”、錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，到歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)……科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)“異常星團(tuán)”，推測(cè)出一撥又一撥神秘存在，但對(duì)于它們的分布、形成，仍知之甚少。如今，我們只能用四個(gè)字來(lái)形容暗物質(zhì)——不明覺(jué)厲。

那么，為什么要花那么大力氣研究暗物質(zhì)？其實(shí)，它與我們的生存息息相關(guān)。科學(xué)家觀測(cè)星系旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有發(fā)光物質(zhì)提供的引力無(wú)法抵消系內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，因此推測(cè)，星系里存在著比普通物質(zhì)多得多的暗物質(zhì)來(lái)提供額外引力，以阻止星系解體。也就是說(shuō)，沒(méi)有暗物質(zhì)，就沒(méi)有星系，也就沒(méi)有人類。況且，作為一種全新的、未知的粒子，暗物質(zhì)很有可能創(chuàng)造前所未有的應(yīng)用。

目前為止，我們能夠確定的是，暗物質(zhì)占整個(gè)宇宙物質(zhì)成分的26.8%，而普通物質(zhì)只有4.9%。暗物質(zhì)的密度很小，但是數(shù)量龐大，它的總質(zhì)量占宇宙總質(zhì)量的96%。據(jù)科學(xué)家推測(cè)，光是銀河系及其外盤，就存在著比銀河系半徑還大10倍的暗物質(zhì)。有這樣隱形的龐然大物在宇宙中看不見(jiàn)摸不到，科學(xué)家的確是心癢難耐。

接下來(lái)，“悟空”還有一年半的宇宙探索時(shí)間，希望它能用火眼金睛找到更多線索，讓我們?cè)缛铡翱础钡桨滴镔|(zhì)。