“宇宙幽灵”暗物质终于要现形了吗?卫星“悟空”发现疑似暗物质踪迹,中国探问宇宙之谜迈出重要一步

暗物质,这个人类追寻多年的宇宙幽灵,最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。据中国科学院公布,暗物质粒子探测卫星“悟空”有充分数据证实,在太空中测量到了电子宇宙射线的一处异常波动。这一波动此前从未被观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现,且有可能与暗物质相关。该成果于北京时间11月30日,由国际权威学术期刊《自然》在线发表。

“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进介绍,电子宇宙射线的正常能谱变化应该是一条平滑曲线,但根据“悟空”观测数据,在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段突然出现剧烈波动,呈现一个“尖峰”。这表明,此处必然有一个全新的物理现象。这一波动此前从未被观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现,且有可能与暗物质相关。

那么,究竟什么是暗物质?科学家究竟找到了暗物质吗?如果找到的是暗物质粒子,对人类而言有什么用?对此,专家们都一一做出解答。

什么是暗物质?

暗物质是天文学家为了解释宇宙中引力质量远大于发光物质质量的疑难,而引入的一类新物质。至今在学界仍没有明确的定义,是因为科学家们还没有找到它。但科学家们对引力的大量观测,证明暗物质是确实存在的。

科学家们目前认为暗物质是“冷”和“暗”的,它不和光发生作用,因此肉眼看不见。目前主流观点认为,宇宙中已知的普通物质不到5%,即标准粒子物理模型能解释的物质；95%以上是暗物质和暗能量。肉眼可见的普通物质构成了恒星,恒星组成星系,而它们都是受暗物质密度波动的影响产生的,普通物质与暗物质的引力共同作用,把彼此聚集在一起,就构成了星系。通俗点来说,可以把它想象成把星系粘合在一起的“胶水”。

目前科学家们对于暗物质有很多不同的假设模型。它的运动速度极快,可以达到子弹出膛速度的数百倍,穿过人体时不会留下任何痕迹,哪怕是一点点感觉。但它有引力,它产生的引力就好像拉着转动小球的一根透明的绳子,为银河系保持稳定起到了重要作用。

找到暗物质了吗?

常进表示,首批成果中最令人兴奋的是发现了100多个“奇异”电子,随着电子数量的进一步积累,才能进一步提高该发现的置信度,为人类打开新的观测宇宙窗口。

中科院院士吴岳良分析,从目前数据分析看,这些“奇异”电子信号可能有两个来源,要么来自暗物质湮灭,要么来自超新星遗迹或是脉冲星。“从目前来看,来自前者的可能性似乎更有说服力。”

一旦国际科学界进一步认可其来自暗物质起源,人类就可以根据“悟空”的探测结果获知暗物质粒子的质量、湮灭率,以及太阳系附近的暗物质团块分布等信息,这些都是以前无法得到的。

找到暗物质有啥用?

揭开暗物质之谜,被认为是继牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论、量子力学之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

“作为宇宙构成部分中超过25%的存在,怎么可能没有用?”吴岳良院士说,否则何来星系和宇宙结构,何来银河系、太阳系甚至我们人类?

常进说,暗物质的作用我们现在无从得知,但也许再过100年,我们的后代日常生活都离不开暗物质突破后产生的新的理论。寻找暗物质存在的证据,对于人类理解宇宙形成、探索宇宙本源至关重要。发现暗物质这样一种全新的物质,它很有可能成为取之不尽的高效能源,甚至帮助人类通过跃迁实现星际旅行,这些在将来或许都不再是梦想。

不是暗物质也很重要?

“无论是不是暗物质,都将是一个重要的新现象。”常进表示。

长期以来,科学界普遍认为在1.4TeV以上的高能段是一片“沙漠”,但“悟空”正在进行的工作有望证明,这里其实“风光旖旎”。“物理学界现有的理论模型远不能解释关于宇宙的所有疑问,期待‘悟空\’能够破旧立新。”暗物质卫星科学应用系统副总师范一中说。

白春礼则认为,如果研究最终确定发现了新粒子,是暗物质,这无疑非常重要。但如果不是暗物质,也意义重大。“耗资100亿美元建造的欧洲核子对撞机撞出一个上帝粒子,验证了理论学家的预测,使其得到了诺贝尔奖。而我们如果用不到1亿美元就找到新粒子,意义更加非凡。”据新华社综合整理

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量

捕捉“宇宙幽灵”目前有三种方法

三大绝技傍身,“悟空”能耐着呢!

暗物质粒子探测卫星“悟空”仅两年的观测结果就发现了前所未有的现象,或有望揭开暗物质的神秘面纱。“悟空”究竟“能”在哪?

最“经济适用”的卫星

花费小、本领大,看得清、测得准。对暗物质卫星“悟空”,专家一致给予“性价比”很高的评价。

“悟空”在太空中的任务,就是通过间接方法,捕捉暗物质湮灭、衰变的蛛丝马迹。在这一方面,造价数亿至数十亿美元的费米卫星、阿尔法磁谱仪目标类似,但“悟空”项目耗资不到1亿美元,堪称“经济适用”的典范。

虽然花钱少,但本领一点不打折。卫星首席科学家常进介绍,“悟空”在同类设备中拥有工作能段最高、能量分辨率最高、粒子鉴别本领最强3项“绝技”。“‘悟空\’具有百万选一不出错、同时看100万倍能量范围的能力。说‘火眼金睛\’一点也不为过。”常进说。

最“意外”的发现

“悟空”降妖伏魔,源于两次“意外”。1997年,美国宇航局在南极开展南极长周期气球项目ATIC,主要目标是观测高能宇宙射线,电子、伽马射线本不在观测之列。

“这是个机会!”常进意识到,美国选择的南极,是地球上观测高能电子独一无二的窗口。他一遍遍给南极项目负责人发邮件,阐述自己的观测构想。

经过一年多验算、证明,这一最初被认为“疯狂”的计划最终得到支持。此后7年,常进3次参与南极观测,在3000多万个宇宙线粒子里成功找到210个超出正常能谱的高能电子。2008年,以常进为第一作者的论文在《自然》杂志发表。在文中,常进论述了电子“超出”可能来自暗物质湮灭,“搭便车”的研究最终获得了国际瞩目的成就。

第二次“意外”出现在“悟空”上天后。卫星科学应用系统副总师范一中说,本来所有的注意力都放在以前实验结果中的“超出”能段,谁也没想到,在更高的1.4TeV能量处,会再发现异于正常能谱的“奇异”电子。“这可能会是‘悟空号\’最重要的发现。科学就是这样,无心插柳、种瓜得豆,你永远不知道下一秒会有什么惊喜。”范一中说。

“现在看来,最有可能的解释是来源于暗物质。”中科院院士吴岳良说。

“粒子物理领域已经进入下半场,希望‘悟空\’能够得分。按照目前的进度,我们的第二批科学成果预计将在明年底发表。”常进说。据新华社

暗物质如此神秘,它们不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。那么,科学家怎样探测暗物质?世界范围内大致有三种方法:

第一种:直接探测暗物质粒子与普通原子核碰撞所产生的信号。由于这种碰撞概率很小,产生的信号非常微弱,为了屏蔽宇宙射线等干扰,这种实验通常要把探测器放置在很深的地下。目前,各国有不少这样的实验。其中,中国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的暗物质实验室。

第二种:用对撞机将两束高能粒子对撞,也就是说在加速器上将暗物质粒子“创造”出来。虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但它一定会带走能量,因此从丢失的能量和分布可以推测暗物质的某些性质。欧洲核子中心的大型强子对撞机就在做这种尝试。

第三种:寻找暗物质粒子相互碰撞湮灭后产生的“二手”粒子。暗物质粒子碰撞湮灭后会产生人类认识的普通物质粒子,如电子、伽马光子等。如果科学家能够精确测量这些粒子的能谱,可能会发现暗物质留下的蛛丝马迹,间接研究暗物质。

国际空间站上2011年放置的诺贝尔奖获得者丁肇中研制的阿尔法磁谱仪2号、2015年放置的日本量能器电子望远镜,以及中国2015年年底发射的暗物质卫星“悟空”等,都属于第三种探测暗物质方法。

暗物质卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说,这三种方法互为补充,互相验证。“如果我们在天上找到一种暗物质粒子,把暗物质的质量弄清楚了,加速器实验和地下实验也会更加明确。”据新华社

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