“悟空”火眼金睛探究暗物質謎團：怎樣施展“神通”

“悟空”首席科學家常進在中科院國家空間科學中心空間科學任務大廳介紹衛星工作情況。

在中科院紫金山天文臺，“悟空”首席科學家常進（中）和他的團隊。新華社記者 金立旺 攝

刊發在《自然》雜志上的“悟空”高精度電子能譜，在1.4TeV附近出現劇烈波動。（資料圖片）

在宇宙中，有什么比引力波還難找？如果把這個問題拋給物理學家，答案一定是暗物質和暗能量。它們產生的萬有引力左右著宇宙演化和物質運動，卻至今難覓蹤跡，被稱作“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”。

暗能量離我們還很遙遠，暗物質卻有望在不久的將來被揭開神秘面紗。在各國爭相投入研究的情況下，我國也于2015年12月17日發射了世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最高的暗物質粒子探測衛星“悟空”。在軌運行兩年多來，“悟空”不辱使命，搜尋出100多個異常電子，并直接測量到了電子宇宙射線能譜的一處拐折。這些訊號讓暗物質研究更進了一步。

習近平總書記近日在中國科學院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會上發表重要講話指出，“悟空、墨子、慧眼、碳衛星等系列科學實驗衛星成功發射，500米口徑球面射電望遠鏡、上海光源、全超導托卡馬克核聚變裝置等重大科研基礎設施為我國開展世界級科學研究奠定了重要物質技術基礎。”

科技創新大潮澎湃，千帆競發勇進者勝。近日，記者采訪中科院紫金山天文臺“悟空”研究團隊，探尋他們的研究成果。

驅散“烏云”：如何尋找暗物質？

當我們仰望星空時，除了太陽、月亮、星星外，感覺宇宙空蕩蕩的。然而，這很可能是一種錯覺——早在20世紀初，多位科學家相繼提出，宇宙中存在發光很弱或者不發光的暗物質。

現代天文學家通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、宇宙膨脹行為的研究表明，宇宙的密度由約4.9%的普通物質，26.8%的暗物質和68.3%的暗能量組成。也就是說，我們能看到的普通物質在整個宇宙中只占不到5%，剩下95.1%的組成部分，我們都看不到。

暗物質屬性奇特，對人類而言，它們以一種看不見摸不著的狀態存在。

這里所說的“看不見”，不單單是指用人類的肉眼在可見光波段看不見，而是不論探測什么波段的電磁波，比如無線電、紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。由于暗物質既不發光，也不參與電磁作用，人們目前只能通過引力產生的效應感受到它的存在，但一直還沒有確鑿的證據。

如此神秘而又重要的存在，讓暗物質成為現代天文學和物理學的一大謎團。對其物理本質的研究必將帶來基礎物理學的重大突破，產生科學技術的革命。

“暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。”“悟空”首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進介紹，通過天文觀測，科學家推斷暗物質有兩個重要特征，一是其很可能是一種新的重粒子，二是其自身和普通物質之間可能有微弱的相互作用。這就可以有針對性地設計實驗探測暗物質。

據了解，各國科研團隊主要采用三種方法尋找暗物質：

第一種是利用粒子對撞設備，看能否在實驗中產生暗物質。這方面的代表是歐洲的大型強子對撞機。

第二種是在很深的地下挖個隧道，屏蔽地表宇宙射線的影響，捕捉暗物質粒子和普通原子核的碰撞。位于我國四川南部地底深處的錦屏地下實驗室就是全球最深的暗物質探測實驗室，于2010年投入使用。由清華大學主導的暗物質實驗合作組利用一種國際首創的高純鍺探測系統，在一定范圍內將暗物質直接探測靈敏度提高到目前國際最高水平。

第三種是在太空中觀測暗物質粒子湮滅或衰變的產物。比如多國合作的阿爾法磁譜儀實驗和我國的“悟空”暗物質粒子探測衛星采用的是這種觀測方式。

根據目前理論物理學家的解釋，如果暗物質粒子相互碰撞并湮滅，產生高能電子，那么到太空去精確地探測高能電子能譜，就可以發現暗物質存在的蛛絲馬跡。常進表示，“悟空”本質上是一個高能粒子探測器。因為大氣層的阻擋，在地面探測這些高能量的粒子比較困難，就將儀器發射到太空去。

大海撈針：“悟空”怎樣施展“神通”？

“暗物質粒子產生的信號很微弱，所以需要高能量分辨、高空間分辨、高統計量、低成本的高能粒子望遠鏡。”常進說，“悟空”正是瞄準這個方向研制的。

資料顯示，“悟空”的長寬高分別只有1.5米、1.5米、1.2米，跟一張辦公桌差不多體積，比記者預想小很多。

“它體積雖小，‘武藝’卻十分高強。”暗物質粒子探測衛星工程總師艾長春介紹，“悟空”由4個科學探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

借助探測器的“火眼金睛”，“悟空”的動態探測范圍可達100萬倍。“如果把‘悟空’比作人的眼睛，相當于既能看到一個兩米高的籃球運動員，又能看到運動員體內的血小板。”常進說。

自2015年底發射升空以來，“悟空”一直在500公里太陽同步軌道上運行。在最初的兩年里，它采用巡天觀測模式，從各個方向掃描太空。目前，它正根據全天區探測的結果，對暗物質最可能被觀察到的區域進行定向觀測。

“‘悟空’升空以來，每天繞地球飛行15圈，平均每秒鐘獲得60個高能粒子，每天獲得500萬個高能粒子。”常進表示，從發射到現在，衛星工作十分穩定，數據質量優異。

然而，尋找“異常”與“可能”絕非易事。兩年多來，“悟空”探測了35億多個高能宇宙射線，從中僅搜尋出100多個異常電子，難度不亞于大海撈針。“就好比在有上千萬人口的城市里找到特定的一個人，既要快，又要準。”常進說。

目前國際上知名的相關研究項目有美國費米衛星，日本量能器型電子望遠鏡，以及著名物理學家丁肇中主持的阿爾法磁譜儀等。“天上的輻射背景太復雜，需要進行區分。”“悟空”科學應用系統副總師范一中說，與國際同類探測設備相比，“悟空”顯著提高了電子能量觀測的上限，得到的電子樣本“純凈”程度也最高，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程中產生的一些非常尖銳的信號。這是中國科研人員自主提出的新探測技術，實現了對高能電子、伽馬射線的“經濟實用型”觀測。

除了暗物質探測的目標，“悟空”衛星的數據還可以廣泛用于宇宙射線和高能天體物理的研究，為我們理解宇宙中極端條件天體和激烈活動現象等提供幫助。

勇闖“無人區”：在不斷探索中前行

去年12月7日，根據前530天的觀測數據，“悟空”的首批科學成果在《自然》雜志正式發表。“悟空”在軌運行期間，共采集了約28億個高能粒子。基于這些數據，科研人員成功獲取了目前國際上最精確的高能電子宇宙線能譜，引起了學術界的高度關注。

“如果暗物質湮滅產生電子、伽馬射線，那么它們的能量不能超過暗物質的質量。因此在暗物質質量以上的能段，電子或伽馬射線的流量會突然減少，在能譜上表現為尖銳的拐折。現在‘悟空’的確在電子宇宙射線能譜中發現了一個拐折，盡管其最終物理起源還需要深入研究。”范一中解釋說。

這是“悟空”首次探測到的一個非常尖銳的能譜結構。初步數據顯示，宇宙射線高能電子約在1.4TeV（萬億電子伏特）附近呈現出尖銳的結構，可能與暗物質粒子湮滅有關。

常進認為，正常的能譜變化應該是一條平滑的曲線，但根據觀測數據，這里突然出現了一處劇烈波動，劃出一個“尖峰”，意味著此處有“古怪”。

因為數據量不夠，目前這個“尖銳”的電子能譜結構沒有被確認，現在回答這是否是暗物質為時尚早。“我們是‘靠天吃飯’，天上有多少宇宙射線，我們才能測到多少事例。”常進說，要降低統計誤差，唯一辦法是積累大量數據，這需要更多時間。

中科院院長白春禮認為，如果后續研究證實這一發現與暗物質相關，將是一項劃時代意義的科學成果，即便與暗物質無關，也可能帶來對現有科學理論的突破。

“悟空”對暗物質的探尋，正逐漸進入科學的“無人區”。但在“無人區”做一個“領跑者”，不是件容易的事。

從衛星設計、測試起，以常進為首的“悟空”研究團隊不斷吸引國內外科研人員加入，目前已經形成了來自中國、瑞士、意大利等國，人數超過100名的多學科頂尖人才團隊。

目前，“悟空”在軌運行狀況優異，預計會大大超過設計壽命。今后兩三年將是衛星數據分析的關鍵時期，收集到目標事例越來越多，繪制的能譜越來越精確。預計今年年底將發布“悟空”的第二批科研成果。

“對科學的追求，是人類社會不斷進步的主要動力。”常進說，暗物質的作用我們現在無從得知，但尋找暗物質的工作每天都在影響他和他的團隊成員。也許再過100年，人類日常生活都離不開暗物質突破后產生的新的理論。