捕捉暗物質

張超

在《西游記》里，孫悟空擁有一雙“火眼金睛”，捉妖降魔，無所不能。而在宇宙空間中，我國也有一雙洞察暗物質蹤跡的“火眼金睛”，它就是中國科學院紫金山天文臺主導研發的暗物質粒子探測衛星“悟空”，它是我國發射的第一顆暗物質粒子探測衛星。北京時間2017年11月30日，英國《自然》雜志在線發表了“悟空”的首批成果——探測器在特定的能量區域觀測到了尖銳的能譜信號，這為“探索暗物質”這一世紀性的物理學難題提供了新的線索。

發現暗物質的線索

宇宙中的各種天體之間通過引力作用，形成了包括星系在內的復雜的天體系統。1937年，美國加州理工學院的天文學家發現，后發座星系團必須有當時觀測到的已知物質400倍的質量存在，才能提供足夠的引力維系該星系團內物質的運動。隨著宇宙探測技術的提升，在大量的星系里，科學家都發現了這種質量缺失的現象，而這便是由暗物質造成的。

如果沒有特殊的物理現象，我們觀測到的由天體活動產生的電子能譜信號是平滑遞減的。例如，宇宙中能量巨大的γ射線因為能量損失，無法達到地球，所以觀測到的數量十分少；如果因為特殊的物理機制產生了一個特定能量的γ射線，那么在探測器中就能觀測到一個強烈的電子能譜信號。北京時間2017年11月27日，中國科學院發布“悟空”在1.4萬億電子伏特的能量區域附近發現了一個新的能量信號，而這極可能是由暗物質造成的。

隱身精靈——暗物質

以現有的技術手段，物質要被觀測到，就必須轉換為電磁信號，科學家通過分析不同頻段的電磁信號的來源來研究物質背后的物理本質。如果一個物體自身無法發出電磁信號，這就意味著它無法被直接觀測到；如果它不與電磁信號發生作用，那么它就很難被觀測到，而暗物質就屬于這樣的隱身精靈。

暗物質大量存在于宇宙空間中，而我們只能從由引力作用產生的各類天體運動中窺探到它的蹤跡。暗物質存在的意義重大，天文物理學中諸多的物理現象只能用暗物質才能解釋。例如，在愛因斯坦相對論的描述中，光線經過大質量的天體附近時，光線會產生類似穿過透鏡時的彎曲現象，這就是所謂的引力透鏡現象。經X射線天文衛星的觀測結果證實，暗物質引起的引力透鏡現象已經被觀測到。

對于神秘莫測的暗物質，目前，科學家共有三種方式可以對其進行研究。

第一類是建造粒子對撞機，將普通粒子加速到光速，然后產生碰撞，制造出暗物質產生所需要的溫度以產生暗物質粒子。目前全世界最大的粒子對撞機是位于瑞士日內瓦和法國邊界的大型強子對撞機，它的周長達到了27千米，能將粒子加速到十幾萬億電子伏特的能量進行碰撞，并希望由此產生暗物質。

第二類是發射暗物質粒子探測衛星，探測暗物質在湮滅或者衰變過程中產生的電磁信號產物。“悟空”就是利用這種方式搜索、探測暗物質的。

第三類是建造地下實驗室，用于觀測暗物質粒子與核子產生散射的產物。由上海交通大學主導開展的PandaX實驗，探測彌散在地球周圍的暗物質粒子碰撞到氙原子核可能發出的微弱信號。經過精確的測量分析，PandaX實驗已基本確認1萬億電子伏特的能量區域內已難以找到暗物質的存在證據。

“悟空”的過人之處

“悟空”擁有十分強大的寬波段探測能力，在500千米高的太陽同步軌道，它能探測到能量范圍從50億電子伏特到10萬億電子伏特的宇宙射線。它每天掃描整個空間4次，平均可收集500萬個宇宙射線。自2015年底發射至今，“悟空”總共獲取了約35億個宇宙射線，并在這些信號中猶如“大海撈針”般捕捉到了1.4萬億電子伏特區域附近的能量信號波動。

得益于科學家的精巧設計，“悟空”的分辨能力很強，它搭載的暗物質粒子探測器能對高能電子和γ射線進行高精度的測量，并且能剔除大量的背景信號，對電子的鑒別能力遠遠超過了以往儀器的探測能力。這也是它能在短時間內找到1.4萬億電子伏特處這一能量信號異常波動的根本原因。

在眾多的探測結果中，“悟空”重新確認了在9千億電子伏特處的一個信號，新發現了位于1.4萬億電子伏特處的一個信號。由于以往開展的關于暗物質的研究結果已基本排除了1萬億電子伏特以下存在暗物質粒子的可能，所以1.4萬億電子伏特處的信號就顯得尤為重要。不過，這個能量信號雖然有可能是由暗物質產生的，但也有可能是由中子星、超新星等天體活動產生的。要確定它的真實面目，我們還需等待科學家更多的探索，揭開宇宙空間更多的秘密！endprint