“悟空”火眼金睛 洞察宇宙奥秘

　　来源：科学大院
　　作者：袁强（中国科学院紫金山天文台）
　　导语
　　北京时间2017年11月30日凌晨2点，《自然》杂志正式在线发表中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）的探测成果：“悟空”卫星的科研人员成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。
　　北京时间2015年12月17日，中国第一颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）顺利升空。
　　北京时间2017年11月30日凌晨2点，《自然》杂志在线发表了“悟空”的首篇科学论文。
　　在两周岁生日之前，科学家们为“悟空”送上了一份大大的生日礼物。

发射前夕，通过征名活动，暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”（图片来自于网络）

　　媒体纷纷以“中国科学家揭开暗物质之谜”“‘悟空’找到了暗物质！”这样的标题进行了报道。
　　等等，似乎哪儿有点不对。

知识的贫穷限制了我的想象力（图片来自于网络）

　　说好的暗物质粒子探测卫星呢？第一次发布的重大成果怎么是“获得了高能电子宇宙线能谱”呢？
　　要回答这个问题，就要说到高能电子宇宙线能谱和暗物质探测的关系。
　　一
　　高能电子宇宙线能谱和暗物质有何关系
　　首先，暗物质是什么？暗物质真的存在吗？
　　暗物质（Dark Matter）的提出，和关于它是否真的存在的讨论，是一个很长的故事，不少文章都介绍过。因为今天的主角是“悟空”号，我们不得不忍痛将这段精彩的历史放入本文的“延伸阅读”。
　　总之，对于物理学家们来说，暗物质最好是存在的，否则这个世界将更让人难以理解。
　　为了回答暗物质是否存在这个问题，有一拨人选择了一条不太好走的路——在实验室里寻找暗物质。如果能够在实验室里找到暗物质，不但可以回答暗物质是否存在，还可以回答暗物质到底是什么。
　　但是，要怎么寻找呢？
　　显然也不能像无头苍蝇一样到处乱撞，那样成功的概率最低。我们仍然要从天文观测中去寻找线索。
　　1
　　为暗物质“画像”
　　刑侦人员破案的时候，往往会根据现有线索为罪犯进行“画像”。同样的，根据天文观测结果，人们获得了两个关于暗物质的重要线索，为暗物质进行了“画像”。
　　其一跟宇宙的大尺度结构相关。

宇宙中星系形成的大尺度结构长这样（图片来自于网络）

　　大尺度结构的演化模式跟暗物质的速度这一属性相关，如果暗物质运动很快（快到接近光速），那么它们形成的结构应该是早期大、今天小（碎裂模式）；反之则是早期小、今天大（增长）。
　　观测结果告诉我们，宇宙结构是由小到大增长的，说明暗物质的速度应该比较小，称作“冷”暗物质。这一般意味着暗物质会比较重，才不容易获得大的速度。
　　其二跟暗物质的丰度有关。丰度就是暗物质在宇宙中的占比。
　　我们知道宇宙始于大爆炸，从高温高密的状态逐渐膨胀冷却至今天的状态。

大爆炸后的宇宙（图片来自于网络）

　　在早期宇宙的高温高密条件下，发生着丰富的物理过程，其中之一就是粒子和反粒子的湮灭以及产生。这样的过程频繁地发生着，直到宇宙膨胀冷却至某个特定时刻，粒子和反粒子由于碰撞率变低而碰不到一块儿，这个过程停止，剩下的粒子和反粒子也将遗留下来。
　　湮灭和产生过程何时停止呢？这个时刻取决于湮灭概率（术语叫截面），即粒子之间的相互作用强度。而这个停止时刻又将决定剩下的粒子多少。
　　假设暗物质粒子及其反粒子在早期宇宙中经历了类似这样的过程，那么根据今天剩余的暗物质丰度，我们可以反推得到暗物质的湮灭概率，恰好在弱相互作用的水平。

子弹星系团，是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体。上面的图像是综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的。其中，红色部分代表了由两个星系团相撞而产生的高温气体所辐射的X射线，蓝色则代表了分布在两侧的暗物质。（图：NASA等）

　　这也可以解释为什么我们不能直接看到暗物质：因为它们的相互作用本来就很弱！
　　根据这些结果，我们便可以勾勒出暗物质极有可能的模样：一种具有弱相互作用的大质量粒子。

电脑合成的数百万光年以外的太空中暗物质图（图片来源于网络，出处见水印）

　　2。
　　到宇宙中寻找暗物质的踪迹
　　同样，跟刑侦人员破案一样，有了重点怀疑对象之后，我们便可以制定“抓捕”对策。
　　科学家琢磨出了三套“抓捕”暗物质的方案，简称为“上天入地对撞”。
　　“入地”指的是在地下设置探测靶子等待暗物质自投罗网。这个方案探测的是暗物质粒子和普通物质粒子之间的碰撞过程。因为空气中有许多宇宙射线粒子，会干扰探测，所以一般要“入地”以屏蔽掉宇宙射线本底。

PandaX实验组的研究人员准备进入中国锦屏地下实验室（图片来自于网络）

　　“对撞”指的是在大型粒子对撞机上产生出暗物质粒子。因为大型加速器和对撞机的建造费时、费力又费钱，这个方案代价很高昂。

造价不菲的欧洲大型强子对撞机（图片来自于网络）

　　“上天”指的是发射空间高能粒子探测器，探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子，例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层，所以需要“上天”。
　　这里我们重点说一下“悟空”号所执行的“上天”。
　　这种方法的基本思路很简单，虽然我们“看不到”暗物质粒子，但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后，会产生我们能够“看到”的粒子，例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测“看的到”的，来探测“看不到”的。
　　而且，暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子，反映在能谱上，会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程，电子能谱是平滑变化的，而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断，或者甚至有可能产生单一能量的电子，这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。
　　如果我们的卫星探测精度足够高，是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。
　　目前，国际上的暗物质探测实验以“上天入地”为主。我国开展的暗物质探测实验包括暗物质粒子探测卫星“悟空”，锦屏深地实验“熊猫”（PandaX）和CDEX，并且参与了一些国际合作项目例如“阿尔法磁谱仪”等。
　　在暗物质探测方面，我国虽然起步较晚，但发展迅速，已经站在了国际前沿，取得了很好的成果。其中“熊猫”实验在2016和2017年两度报道了其以世界最高灵敏度对暗物质搜寻的结果，虽然没有发现暗物质事件，但给出了对暗物质属性最为严格的约束。
　　二、
　　我们找到暗物质了吗？
　　目前还不能这么说。但“悟空”正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奥秘。
　　“悟空”号至今已稳定在轨运行接近2年，获取了35亿高能宇宙射线事例。
　　由于其独创性的设计，“悟空”号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍，但是却在电子/伽马的能量测量精度和质子-电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平，从而也成为国际上探测暗物质的利器。
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　　“悟空”号发布了什么成果？
　　“悟空”号卫星今日发布的第一个重大科学成果，就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果（图9）。

“悟空”号对宇宙射线电子能谱的测量结果（红点），以及与之前别的实验观测结果的对比（来自Nature， 2017）

　　这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征：
　　1） 电子能谱在大约1 TeV（TeV为万亿电子伏特，相当于可见光能量的一万亿倍）能量处呈现出一个拐折；
　　2） 在能量约1.4 TeV处发现一个尖峰状精细结构。
　　2
　　“悟空”号的成果有何意义？
　　得益于“悟空”号的高能量分辨率和低本底混入率，它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。
　　1）第一个能谱拐折，在之前的实验HESS中，曾观测到类似迹象，但由于误差很大，不能明确下结论。而空间实验Fermi-LAT的结果却表面没有拐折。“悟空”号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。
　　这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。
　　因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量，越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子，传播的范围越小。
　　例如，对于1 TeV能量的电子，基本上只能传播3000光年的距离，而10 GeV的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小，在这个范围内，源的数目也很稀少，因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同，那是大量源的平均效应。
　　打个比方，就好像我们炖了一锅骨头豆子汤，如果把骨头切成和豆子一般大小，那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多，数量也不可能像豆子那么多，这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。
　　2）第二个特征则是“悟空”号率先观测到的，之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说，1.4 TeV处的结构则是所有人都没有预期到的新现象！
　　这意味着可能在宇宙空间中存在质量约1.4 TeV的新粒子，或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。
　　另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道，此前只有在实验室中通过精细调节实验装置，我们才能够获得单能粒子束。我们猜测，脉冲星可能可以扮演这个角色。

脉冲星（图片出处见水印）

　　脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹，是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。
　　无论是哪种情况，这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现！
　　三、
　　我们距离“找到暗物质”，还有多远？
　　“悟空”号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。
　　不过，由于高能量粒子数量稀少，现在还不能完全排除是统计波动的影响。“悟空”号的当务之急是继续收集数据，提高统计量，以确切地验证该新结构的真实性。可以预计，再经过一到两年的时间，“悟空”号的数据将对1.4 TeV这个结构的真实性给出明确的结论。
　　这里需要补充一点，很多人关心“悟空”号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前，“悟空”的工作状态十分稳定，每天平均收集500万个粒子，预计还将服役3年，理想状况下，我们将还能收集到50亿个粒子，届时我们将对许多问题给出清晰的说明。
　　另一方面，“悟空”号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标，给出了参考指标。
　　例如，未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计；地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度；别的空间实验可以验证“悟空”号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源（暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号）。
　　我相信，暗物质在不远的将来就会露出它的“庐山真面目”。
　　----延伸阅读----
　　如同“幽灵”一般的暗物质，是从十九世纪进入人们视线的。
　　有一句俗语叫“眼见为实”，很多事情如果亲眼所见了，我们就会乐意相信它、接受它。对我们所生存的宇宙，一开始我们也都抱着这样的观念去认识它。
　　然而，宇宙真的就是我们所看到的这样吗？
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　　“暗物质”的提出与证据
　　我们从1845-1846年两个年轻人的故事说起。
　　当时，人们知道太阳系有七大行星，行星绕着太阳做椭圆轨道运动，根据牛顿引力定律，我们可以精确地计算每个行星如何运动，包括行星之间的相互影响。对行星运动的观测也达到了相当精确的程度，而且观测和理论预期符合得相当好，一切事情看起来都很合理。
　　然而，最外围的行星——天王星，它的运动似乎有点不那么完美，和理论预期相比较总有一些偏差。观测家认为，这个偏差已经远远大于他们的观测精度，他们不背这个锅。怎么办呢？当时就有人推测天王星外围可能还有一个未知的大行星，它的引力影响了天王星的运动。

英国天文学家约翰·柯西·亚当斯（左）和法国天文学家乌尔班·勒维耶（右）（图片来源于网络）

　　英国天文学家约翰·柯西·亚当斯和法国天文学家乌尔班·勒维耶独立地计算得到了这个未知天体的轨道参数。

德国天文学家约翰·加勒（图片来源于网络）

　　德国天文学家约翰·加勒获悉了这个事情，就将望远镜对准勒维耶预言的天区，不出意外，加勒果然发现了一颗新的行星——海王星。海王星的发现是牛顿力学的一次伟大胜利。
　　类似的方法屡试不爽。

瑞士天文学家弗雷德·茨威基（图片来源于网络）

　　如上世纪三十年代，瑞士天文学家弗雷德·茨威基和美国天文学家辛克莱尔·史密斯研究发现星系团中的星系也不按常理运动，比按照引力定律预期的运动速度快很多。他们推断，这些星系团里应该存在大量不发光的物质，即暗物质。
　　到了六十年代，光谱观测技术的新进展使得人们对天体运动速度的测量取得了质的飞跃。以肯特·福德、维拉·鲁宾、肯·弗里曼等为代表的天文学家对星系的转动速度的测量取得重大突破。他们发现，星系里的物质绕着星系转动的速度随半径的变化（旋转曲线）也不服从牛顿引力定律所预期的越远越慢的现象，而往往是保持不变，甚至也有越远越快的情况。

理论上，银河系是这样动的（图片来源：ESO/L。 Cal?ada）

通过观测，发现银河系实际上是这样动的（图片来源：ESO/L。 Cal?ada）

　　如果你看不出两者的不同，可以把它们放在一起看。

左为理论中运转状态，右为现实中的运转状态（图片来源：ESO/L。 Cal?ada）

　　解决问题的办法仍然是：加暗物质！
　　这里插一句话，维拉·鲁宾女士于2016年12月25日去世，我个人认为，学界欠她一枚诺贝尔奖。

维拉·鲁宾（图片来源于网络）

　　时至今日，越来越多的证据表明宇宙中存在大量的暗物质，它们通过引力效应在黑暗中操控着那些发光天体的运动，让它们表现得桀骜不驯，却尽在暗物质掌中。
　　而人们也曾以为暗物质之所以看不见是因为它们发光很弱，或者在可见光之外的波段发出辐射，只要造出足够大的望远镜，或者其它波段的电磁探测仪器，总会像逮住海王星那样发现它们的。
　　事实上确实也部分如此。
　　例如，星系团里存在大量的高温气体，它们的辐射集中在X射线波段，通过X射线望远镜人们很容易就看到它们明亮的辐射。然而天文学的观测及时地制止了这种天真的想法。宇宙的物质组分会影响宇宙的膨胀历程、元素合成、以及结构形成等一系列过程。通过对大爆炸遗留下来的一种称作微波背景辐射的东西，还有宇宙中轻元素的丰度，星系和星系团的分布等的观测，人们可以精确地测量出宇宙的组成成分：能发光的普通物质占比约5%，暗物质占约27%，暗能量占约68%（图18）。
　　暗物质比我们熟知的普通物质多5倍左右，而且它们在本质上显著不同于普通物质！看来我们可能不得不接受这样一个事实：现代物理学建立起来的知识体系仅仅只能解释5%的宇宙成分，另外95%我们几乎是一无所知的。

天文观测对宇宙组分的测量结果。左图反映不同观测手段对宇宙物质组分和暗能量组分的能量密度观测结果（来自ApJ， 2012， 746， 85）；右图为宇宙中普通物质、暗物质、暗能量的占比（图片来自PLANCK官网）

　　不过，有的人仍坚持认为，并不存在暗物质。
　　他们的理由是，目前暗物质存在的证据全都来自引力观测，万一是引力定律错了呢？
　　引力定律当然不会错得很离谱，至少在地球上，甚至太阳系里它们经受住了很严格的检验，否则我们不可能将卫星送上天，不可能精确地进行授时和导航。
　　但是，需要暗物质来解释的奇特现象，都出现在很大的宇宙尺度，或者说很弱的引力场里。没有谁能保证，在那样的情况下，引力定律还能够百分百正确。
　　于是，有些大胆的学者，担着“冒天下之大不韪”的风险，向牛顿和爱因斯坦的理论开起了刀。
　　然而，很多这类的尝试难以称得上成功，它们往往头疼医头、脚疼医脚，通常只能解决某个或者某些个问题，不能对大多数天文观测给出统一的解释。另一方面，很多的修改让理论失去了其原有的美妙和自洽，也很难让人接受。
　　对于物理学家们来说，暗物质最好是存在的，否则这个世界将更让人难以理解。
　　面对这些争论，还有一拨人走上了“寻找暗物质”的道路，试图在实验室里找到答案。为了揭开它的面纱，人们已经投入了数百亿美元，虽然直到今天还未得到确定回答，但可以肯定，我们正一步步接近这神秘的“幽灵”。