百科：用衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)暗物質

2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，這標志著我國空間科學探測研究邁出重要一步。“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質粒子探測衛(wèi)星，超過國際上其他同類探測器。 暗物質粒子探測衛(wèi)星此次太空之旅共有3個科學目標：即通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質粒子;通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破;通過觀測高能伽馬射線，在伽馬天文方面取得重要成果。“悟空”將如何在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務？它將如何探尋暗物質存在的證據？
　　21世紀物理學的兩朵新的烏云
　　暗物質問題是粒子物理和宇宙學的核心問題之一。美國國家研究委員會列出了新世紀要解答的11個科學問題，其中“什么是暗物質”被列在首位;在中國科學院制定的創(chuàng)新2050規(guī)劃路線圖中，暗物質和暗能量探索被列為可能出現(xiàn)革命性突破的基本科學問題的第一位。暗物質和暗能量被認為是籠罩著21世紀物理學的兩朵新的烏云，對它們的研究很可能會帶來科學上的新突破。
　　暗物質存在于人類已知的物質之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中，暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。暗物質的總質量是普通物質的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4。同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質還是個謎。天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，它們占了宇宙質量的95%，通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。
　　之前，人們無法想象這種看不見摸不著的物質在宇宙中竟占有95%的比重，假如這種新的理論被科學證實，就意味著我們所熟悉的這個世界，只是零星散布在宇宙中的小小點綴，如同大海中的一滴水，而在宇宙中占比如此大的東西，人類卻一無所知。因此，暗物質被科學界普遍證實存在，已經給人們的觀念帶來了巨大的沖擊，如果在暗物質性質的研究方面有任何突破性進展，那將會帶來不可估量的科學影響。科學家相信，通過探索“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類最終一定能夠了解宇宙的起源。
　　我們如何尋找“暗物質”？
　　對于這些擅長隱身的暗物質粒子，科學家用什么辦法來探測它們呢？
　　第一種方法是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強子對撞機。如果能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產生出暗物質粒子——而暗物質粒子是隱身的，無法被周邊的探測器記錄到。于是，在科學家看來，這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果發(fā)生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質粒子的存在提供直接證據。
　　第二種方法是在地下進行的直接探測，各國有不少這樣的實驗項目，其中我國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質實驗室。暗物質粒子可以說是無處不在，每秒鐘可能有上億個暗物質粒子穿過你的眼睛。當然，由于它們隱身能力超強，我們對此毫無知覺。不過，根據理論，這些粒子仍會參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內部發(fā)揮作用。因此，盡管暗物質粒子是隱身的，并不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個“樹樁”。被暗物質粒子撞上的原子核會發(fā)光發(fā)熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動是科學家有可能探測到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質粒子撞上去的概率低到幾乎可以忽略。科學家只能采用一個笨辦法，準備好一大片森林等兔子來撞。他們在巨大的探測器里裝上大量反應物質，等待過路的暗物質粒子碰巧撞上其中某個原子核。當然，為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產生的干擾，科學家往往把這樣的暗物質探測器深埋在地下，讓厚厚的巖層把不會隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。
　　第三種辦法，那就是等這些隱身的粒子自行現(xiàn)身。用暗物質探測衛(wèi)星探測暗物質是基于暗物質粒子湮滅或衰變的假設，即暗物質粒子的湮滅或衰變會形成各種正粒子、反粒子對，這些粒子對在太空中傳播就成了宇宙射線和伽馬射線的一部分。暗物質探測衛(wèi)星就是收集高能宇宙射線粒子和伽馬射線光子，通過分析其能譜、空間分布來尋找暗物質粒子存在的證據。“悟空”暗物質探測衛(wèi)星采用的便是第三種辦法，到太空中探測高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質存在的證據，并推斷出它們的某些性質。
　　暗物質粒子探測衛(wèi)星如何施展“神通”？
　　暗物質粒子探測衛(wèi)星是我國第一顆由中科院自主研究、生產的衛(wèi)星。同以前的衛(wèi)星和國際同類衛(wèi)星相比，它具有創(chuàng)新性。
　　首先，這顆衛(wèi)星的結構不同于以往我國發(fā)射的衛(wèi)星，它是以載荷（探測器）為中心的一體化結構設計。中國科技大學教授、暗物質探測衛(wèi)星副總設計師安琦說，以往衛(wèi)星都是設計一個平臺，相當于一個容器，然后把有效載荷置于其中，這時的有效載荷只能委屈地適應容器。而暗物質探測衛(wèi)星的設計是以載荷為中心，先把有效載荷集中安置好，再把衛(wèi)星的其他部分見縫插針地“鑲嵌”在有效載荷的邊上。這種設計使得有效載荷達到1410千克，平臺僅為440千克，二者達到了3.2∶1。這種載荷比在世界上都是極高的。
　　
　　其次，它是目前世界上觀測能段范圍最寬、空間和能量分辨率世界領先的高能粒子探測器。暗物質粒子探測器屬于大型空間高能觀測設備，它可以精確測量宇宙高能粒子的物理特征和空間分布。它的能段是國際“阿爾法磁譜儀”實驗的10倍，探測器能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。“悟空”通過提高能量分辨和空間分辨的本領，降低宇宙射線背景噪聲，并且采取將探測器做得足夠大等方法提高靈敏度。以《西游記》中的美猴王名字命名的衛(wèi)星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。位于衛(wèi)星核心部位的BGO能量器包含了300多根縱橫交錯排列的晶體，每一根都有2厘米見方、60厘米長，是世界上最長的BGO晶體，研制難度非常高。整個衛(wèi)星中，BGO能量器的重量就占了多半。這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量，并且由于電子和質子與晶體發(fā)生相互作用，產生類似淋浴噴水形狀的簇射，而電子和質子產生的簇射形狀不同，因而科學家可以區(qū)分出質子和電子。
　　進入太空后，“悟空”將在500千米太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式：在頭兩年采用巡天觀測模式，由于暗物質可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對全天掃描;兩年后衛(wèi)星轉入定向觀測模式，根據全天區(qū)探測的結果分析出暗物質最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對這些區(qū)域開展定向觀測。
　　在3年的設計壽命中，“悟空”將通過高空間分辨、寬能譜段觀測高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質粒子，同時將在宇宙射線起源和伽馬射線天文學方面取得重大進展。首批科學成果有望在衛(wèi)星發(fā)射6個月至1年后發(fā)布。
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　　近10年暗物質研究新進展
　　2006年1月6日，劍橋大學天文研究所的科學家們在歷史上第一次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質的部分物理性質。
　　2006年，美國天文學家利用錢德拉X射線望遠鏡對星系團1E 0657-56進行觀測，無意間觀測到星系碰撞的過程，星系團碰撞威力之猛，使得黑暗物質與正常物質分開，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質存在的直接證據。天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的5%。因此，探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。
　　2007年1月，暗物質分布圖終于誕生了！經過4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍圖”，勾勒出相當于從地球上看，8個月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質的輪廓。這張圖是通過引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實驗室的讓-保羅·克乃伯參加了這張分布圖的繪制工作，他認為這種“面包丁”的形狀自25億年以來就沒有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質的形狀。
　　2007年5月16日出版的《天體物理學雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學天文學家利用哈勃太空望遠鏡，探測到了位于遙遠星系團中呈環(huán)狀分布的暗物質。天文學家們稱，這是迄今為止能證明暗物質存在的最強有力的證據。
　　2013年4月18日，美國物理學會的科學家報告稱，在實驗中發(fā)現(xiàn)大質量弱相互作用粒子的信號強度達到3個西格瑪水平，他們發(fā)現(xiàn)暗物質的可能性達到99.8%。
　　2014年9月18日，程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果發(fā)布會在瑞士日內瓦舉行，丁肇中主持的實驗室公布AMS項目最新研究成果，宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質。丁肇中特委托山東大學程林教授在國內發(fā)布有關成果。在已完成的觀測中，證明暗物質存在實驗的6個有關特征中，已有5個得到確認。
　　【責任編輯】蒲 暉