暗物质，我们如何才能找到你

　　当我们仰望星空时，除了太阳、月亮、星星外，感觉宇宙空荡荡的。然而这只是一种错觉：
　　现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、宇宙膨胀行为的研究表明：宇宙的密度由约4.9%的普通物质，26.8%暗物质和68.3%的暗能量组成。这是什么概念？也就是说，我们能看到的普通物质在整个宇宙中只占不到5%。剩下95.1%的宇宙组分，我们都看不到。由于看不到，科学家们姑且称之为暗物质和暗能量。
　　这里所说的“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如无线电、红外线、紫外线、X射线等，都看不到它。也就是说，暗物质几乎不发出任何波段的电磁辐射。
　　曾经有这样一段话来形容暗物质：科学家们深信，有一种神秘的物质，它们就像幽灵一样弥漫在我们每个人周围，它可以轻易穿过每个人的身体而又不被人察觉。
　　如此神秘而又重要的存在，让暗物质成为现代天文学和物理学的一大谜团。发现暗物质，成为重大科学前沿。暗物质带来的问题也因此被认为是“笼罩在当前物理学天空中的乌云”。

　　

　　图为我国暗物质粒子探测卫星“悟空号” 中科院供图

　　那如何才能找到暗物质？由于暗物质既不发光，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力产生的效应感受到它的存在，但一直还没有确凿的证据说“这就是暗物质”。目前，世界上有很多科学团队在试图找到它。主要有三种方法：
　　第一种是利用粒子对撞设备，看能否在实验中产生暗物质，这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。
　　第二种是在很深的地下挖个大坑，在坑底放上精密仪器来探测暗物质。到地下去的目的是为了屏蔽空气中宇宙射线的影响。位于中国四川南部地底深处的锦屏地下实验室就是全球最深的暗物质探测实验室，已于2010年投入使用。
　　第三种是在太空进行间接探测，比如多国合作的阿尔法磁谱仪项目，“阿尔法磁谱仪2”自2011年被送至国际空间站后已分析了410亿个初级宇宙射线事件，结果显示暗物质可能存在。中国2015年12月17日发射的暗物质探测卫星“悟空”，也是在太空展开的探测行为。
　　为什么可以通过太空间接探测暗物质呢？原理是这样的：
　　根据人们已知的物理规律，来自宇宙空间的粒子能谱（能谱指的是粒子数目随能量的变化情况）有其特定的分布，一般是随着能量升高其数目逐渐下降。如果能谱出现异常，便意味着可能有新的物理原因。根据目前理论物理学家的推测，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将可能产生高能电子。那么到空间去精确地探测高能电子能谱，就有可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。“悟空”的核心使命就是在宇宙电子和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，并进行天体物理研究。
　　在中国科学院11月27日召开的新闻发布会上，我国暗物质粒子探测卫星“悟空号”首席科学家常进对外宣布：“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含约150万25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员成功获取了目前国际上最精确的电子宇宙射线探测结果。该成果于2017年11月30日(北京时间)在Nature杂志在线发表。

　　

　　图为“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。中科院供图
　　与之前结果相比：
　　(1) “悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备（AMS-02, Fermi-LAT）有显著提高，拓展了我们观察宇宙的窗口。
　　(2) “悟空”卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高（也就是其中混入的质子数量最少），能谱的准确性高。
　　(3) “悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。
　　此外，“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦该精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。
　　——关于“悟空”
　　“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，它最早由紫金山天文台的常进研究员于2005年提出，在原中国科学院基础局、科技部的支持下研制了原理样机。2011年12月21日该项目被正式列入中国科学院战略先导专项-空间科学专项，常进研究员担任卫星的首席科学家。该卫星的探测器由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心联合研制。瑞士的日内瓦大学、意大利国家核物理研究院也参与了硅子探测器的研发。卫星平台由中科院微小卫星研究院研发，地面科学应用系统由紫金山天文台负责建设。
　　“悟空”卫星于2015年12月17日发射成功，是中国的首颗天文卫星。该卫星的数据分析工作获得国家重点研发计划、科技部973青年科学家专题项目、国家自然科学基金委员会-中国科学院空间科学卫星联合基金、国家自然科学基金委杰出青年基金、国家自然科学基金委优秀青年基金、中国科学院“百人计划”等项目的大力支持，由紫金山天文台组织协调。

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