暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”：漫漫取經(jīng)路

曹玲

暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星由中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院總研制，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李華旺說：“就拿電視機(jī)來比喻，我們負(fù)責(zé)制造電視機(jī)，質(zhì)檢合格出廠，交由用戶使用，我們負(fù)責(zé)售后服務(wù)，至于怎么用就看用戶的了?！?p>

2015年10月30日，四川錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的工作人員正在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)表示，到目前為止，衛(wèi)星在天上工作了85天，搜集了4.5億個(gè)高能粒子，覆蓋了三分之二天區(qū)。“我們要測(cè)量電子、伽馬質(zhì)子等，現(xiàn)在探測(cè)器完全能夠滿足所有的科學(xué)目標(biāo)。我需要一定的時(shí)間，獲取一定量的高能粒子，才能告訴大家有沒有探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，暗物質(zhì)粒子在天上的什么地方?！?/p>

暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星和應(yīng)用型衛(wèi)星不同，是我國(guó)發(fā)射的第一顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。“科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上天之后要有科學(xué)產(chǎn)出，提供科學(xué)知識(shí)?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說。據(jù)他介紹，今年我國(guó)將陸續(xù)發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星、硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星等科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，“我國(guó)空間科學(xué)正在進(jìn)入歷史上最好的發(fā)展時(shí)期”。

“選擇空間科學(xué)衛(wèi)星的研究目標(biāo)非常重要，其成果只有世界第一，沒有中國(guó)第一?？臻g科學(xué)衛(wèi)星的目標(biāo)由科學(xué)家來定，而不像應(yīng)用型衛(wèi)星目標(biāo)由用戶來定?！眳羌窘榻B，2011年1月，中國(guó)第一個(gè)空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)”正式啟動(dòng)，首批空間科學(xué)衛(wèi)星遴選項(xiàng)目時(shí)重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面：一是科學(xué)產(chǎn)出的重大性，即是不是重大前沿，能否實(shí)現(xiàn)重大突破;二是考慮它的帶動(dòng)意義，是不是能廣泛地帶動(dòng)學(xué)科的發(fā)展，帶動(dòng)更多的科學(xué)家參與數(shù)據(jù)分析。

暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星成為“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”發(fā)射的第一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。為什么要這么迫切地去尋找暗物質(zhì)呢？

所謂暗物質(zhì)，是指不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，目前人們只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知其存在。長(zhǎng)期以來，暗物質(zhì)和暗能量都被認(rèn)為是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵“烏云”。天文學(xué)家推測(cè)，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙的25%，暗能量占70%，通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。也就是說，我們的宇宙大部分由看不見的物質(zhì)組成。“宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也最難了解的，至今僅知道它們的存在，但還不清楚它們的性質(zhì)?！笨茖W(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，在宇宙演化中起著決定性作用，同時(shí)也決定著宇宙未來的命運(yùn)。

“按照現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，科學(xué)家預(yù)測(cè)到61種基本粒子，這61種基本粒子都找到了，包括前些年找到的‘上帝粒子（希格斯玻色子），但是暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)和這61種粒子不吻合，現(xiàn)有的物理知識(shí)無法解釋暗物質(zhì)。如果我們探測(cè)和研究暗物質(zhì)粒子，很可能會(huì)導(dǎo)致物理學(xué)的革命性突破。”常進(jìn)說，“如果能揭開它們的秘密，就有可能解決宇宙之謎?！?/p>

為此，暗物質(zhì)成為當(dāng)今科學(xué)界面臨的最前沿問題之一，目前中國(guó)和世界多個(gè)國(guó)家已著手籌建或?qū)嵤┒鄠€(gè)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。“悟空”自2015年12月發(fā)射升空起就備受關(guān)注。國(guó)家空間科學(xué)中心的數(shù)據(jù)顯示，“悟空”是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，超過國(guó)際上所有同類探測(cè)器。“悟空”預(yù)計(jì)在軌工作3年，前兩年主要進(jìn)行巡天觀測(cè)，后一年根據(jù)前兩年的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行定點(diǎn)掃描探測(cè)。常進(jìn)說：“目前數(shù)據(jù)分析正在進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年底將公布首批科學(xué)成果?！?h3>暗物質(zhì)是什么

那些看不見的東西才是天空真正的秘密。

了解一些你看不見的東西是很難的，暗物質(zhì)既不發(fā)光也不吸收光，和光沒有任何相互作用。它所謂的“看不見”，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論探測(cè)什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，都看不到它。

但是科學(xué)家知道它們存在。上世紀(jì)30年代，加州理工學(xué)院教授弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）觀看鄰近的星系時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的東西。他研究星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)星系團(tuán)里有多少物質(zhì)做了估算，然后對(duì)比人們能看到的物質(zhì)數(shù)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)那些星系都轉(zhuǎn)得太快了，如果僅僅用它們內(nèi)部所含的物質(zhì)來計(jì)算，巨大的離心力應(yīng)該早就讓它們分崩離析。如果宇宙中的每一個(gè)星系都像一個(gè)旋轉(zhuǎn)木馬，它們轉(zhuǎn)動(dòng)得太快，上面坐著的游客們應(yīng)該都會(huì)飛出去才對(duì)。

所以其中一定有其他物質(zhì)在影響星系的運(yùn)動(dòng)，那是什么呢？茲威基敏銳地指出，這些物質(zhì)不能被直接觀察到，但卻同樣能夠產(chǎn)生引力作用，從而幫助將星系聚集在一起而不至于被撕碎。1933年，他成為第一批真正了解暗物質(zhì)存在意義的人，稱其為“迷失的物質(zhì)”。

這個(gè)革命性的想法一開始卻被大大忽視了，人們尊重茲威基，但沒人愿意認(rèn)真對(duì)待他的觀點(diǎn)。他的偉大洞察和理論都被擱置一旁，無人問津。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為他是個(gè)瘋狂的理論家，有勁沒處使，所以才發(fā)明這么一種全新的物質(zhì)出來。

茲威基的測(cè)量基于星體和星系的物質(zhì)數(shù)量，但是怎樣衡量太空中的物質(zhì)數(shù)量？雖然無法直接測(cè)量太陽，但可以測(cè)量行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的速度，太陽的質(zhì)量越大，行星想要留在它的軌道，旋轉(zhuǎn)速度就要越快。

牛頓和愛因斯坦都認(rèn)為，一個(gè)物體的質(zhì)量越大，萬有引力就越大;一個(gè)物體離中心越遠(yuǎn)，它在軌道里就運(yùn)行得越慢，因?yàn)槿f有引力變小了。就拿太陽系來說，水星的運(yùn)行速度相比海王星來說更快，因?yàn)樗请x太陽更近。同樣的，對(duì)于一個(gè)星系你可以預(yù)期，如果距離越來越遠(yuǎn)，物體運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)越來越慢，以維持在正常的軌道。但事實(shí)上，外圍恒星運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。

茲威基沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。50年后，一個(gè)叫維拉·魯賓（Vera Rubin）的年輕女科學(xué)家在觀測(cè)類似銀河系的星系旋轉(zhuǎn)曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，越來越遠(yuǎn)的氣體和塵埃的軌道運(yùn)行速度始終保持不變。如果一個(gè)城市是一個(gè)星系，道路上的車輛是一顆恒星或者行星，不管道路交通多繁忙或者其他因素多復(fù)雜，每一輛車都以相同的速度穿梭在城市里。她又觀測(cè)了其他星系，發(fā)現(xiàn)也是同樣的情況。魯賓由此認(rèn)為，宇宙中存在著我們看不見的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供著引力。

“地球附近也有大量的暗物質(zhì)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銀河系里成千上萬顆恒星的實(shí)際觀測(cè)速度要大于理論上的速度。太陽的速度理論上是每秒160公里，但是現(xiàn)在觀測(cè)太陽的速度大概是每秒240公里。如果不存在暗物質(zhì)的話，太陽系就應(yīng)該處于銀河系的更外圍，而不是現(xiàn)在這個(gè)位置?！背＿M(jìn)說。

科學(xué)家分析了上百個(gè)星系，都有同樣的形狀，運(yùn)轉(zhuǎn)速度都太快了，需要暗物質(zhì)把它們保持在一起。這時(shí)，科學(xué)家開始注意到這個(gè)問題，什么是暗物質(zhì)，如何在太空中找到一些看不到的物質(zhì)？

被稱為引力透鏡的效應(yīng)為暗物質(zhì)提供了更多的證據(jù)。如果有一大團(tuán)物質(zhì)，例如星系團(tuán)恰好位于一個(gè)遙遠(yuǎn)光源的前方，那么前景天體就能彎曲從其附近經(jīng)過的背景光，由此會(huì)產(chǎn)生一系列的光弧，把這些弧線連接起來就會(huì)形成一個(gè)“愛因斯坦環(huán)”。質(zhì)量越大，它對(duì)光線的彎曲量越大。然而，在星系團(tuán)中沒有足夠的可見物質(zhì)能產(chǎn)生出我們所觀測(cè)到的彎曲，于是，那里必定隱藏著不可見的額外質(zhì)量。

暗物質(zhì)的存在似乎突然間被揭開了。一旦暗物質(zhì)出現(xiàn)，科學(xué)家又懷疑它是不是一種新的沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，還是一般的看不見的物質(zhì)。最初，科學(xué)家認(rèn)為它和組成你和我的物質(zhì)一樣，但是不會(huì)發(fā)光。

科學(xué)家設(shè)想宇宙里不會(huì)發(fā)光的哪些物質(zhì)可能會(huì)是暗物質(zhì)。黑洞有可能是，它不會(huì)發(fā)光，可以透過引力透鏡發(fā)現(xiàn);隱藏在銀河系暈輪里的大質(zhì)量致密天體可能是，它們可以通過引力透鏡觀測(cè)，但它們的質(zhì)量還不足以描述暗物質(zhì)的數(shù)量;褐矮星同樣是懷疑的對(duì)象，它們數(shù)量足夠多。除此之外，暗物質(zhì)的候選者還有中子星、自由行星、白矮星和非常微弱的紅矮星和大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）。

無論暗物質(zhì)是什么，它們的數(shù)量和質(zhì)量都比恒星和行星的普通物質(zhì)多上10倍。所有由原子、質(zhì)子、中子組成的物質(zhì)，數(shù)量都比不上科學(xué)家在星體和星團(tuán)中所觀測(cè)到的物質(zhì)的數(shù)量。

科學(xué)家繼續(xù)尋找新的可能性，繼續(xù)研究暗物質(zhì)，以前發(fā)現(xiàn)的奇異粒子，例如中微子成了他們的研究對(duì)象。像暗物質(zhì)一樣，每次數(shù)以百萬計(jì)的中微子穿過地球，但是它們太輕了，沒有辦法解釋暗物質(zhì)對(duì)萬有引力的影響，而且科學(xué)家可以在粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生中微子。

在考慮了所有的可能性后，許多科學(xué)家相信暗物質(zhì)是一個(gè)新的奇異粒子，和地球上的物質(zhì)完全迥異。每秒有數(shù)十億暗物質(zhì)經(jīng)過我們，但從來不和普通物質(zhì)發(fā)生碰撞。如今，我們知道暗物質(zhì)是一些笨重的物質(zhì)，速度不是很快，我們看不見它，它對(duì)我們沒有影響，和普通物質(zhì)也不產(chǎn)生相互作用。

科學(xué)家維拉·魯賓認(rèn)為，宇宙中存在著我們看不見的物質(zhì)，為彌散于星系各處的氣體提供引力

目前，對(duì)于暗物質(zhì)是什么，最普遍接受的想法是一些叫作大質(zhì)量弱相互作用粒子的物質(zhì)。大質(zhì)量弱相互粒子對(duì)大顆粒的作用力很小，它們的特性和暗物質(zhì)的可能性很接近。

尋找暗物質(zhì)

對(duì)于這些擅長(zhǎng)隱身的暗物質(zhì)粒子，如何才能找到它們呢？

“如果理論上知道它是什么東西，我們就能很容易地把它找到。通俗地講，我們?nèi)フ乙粋€(gè)人，只知道這個(gè)人可能存在，但是這個(gè)人穿什么衣服、長(zhǎng)什么樣子，我們根本不清楚，只能通過排除法，或者說一步一步篩選，從一些可疑的跡象篩選?！背＿M(jìn)說。

目前，人類用來捕捉暗物質(zhì)的方法僅有三種，可以形象地稱之為“上天、入地、對(duì)撞機(jī)”。目前國(guó)際上有歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)、安裝在國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀，以及美國(guó)航空航天局的費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備在尋找暗物質(zhì)，但目前找到的都還只是一些“疑似證據(jù)”。

其中，“上天”是間接探測(cè)方法，即捕捉暗物質(zhì)互相碰撞、湮滅時(shí)產(chǎn)生的痕跡。當(dāng)一對(duì)暗物質(zhì)粒子偶然相撞的時(shí)候，會(huì)同時(shí)湮滅，可能會(huì)放出質(zhì)子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。如果能夠精確測(cè)量到這些粒子的能譜，就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的蹤影。

我國(guó)發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，采用的也是間接探測(cè)的方法?！鞍滴镔|(zhì)衛(wèi)星只是瞄準(zhǔn)暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，也就是暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一些高能粒子，這叫間接法。至于間接法能不能找到暗物質(zhì)，我現(xiàn)在也不知道。我知道的是，盡管暗物質(zhì)粒子探測(cè)器最主要的目標(biāo)是去找暗物質(zhì)，但是這個(gè)探測(cè)器本身就是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，一旦打開這扇新的窗戶，必然有很多新奇的現(xiàn)象。究竟這個(gè)新奇的現(xiàn)象是捕捉到了暗物質(zhì)，還是其他的一些新的天文、物理現(xiàn)象，我們還不清楚?！背＿M(jìn)說。

“入地”則是一種直接探測(cè)的方法，該方法是直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和普通原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)。比如美國(guó)低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃（CDMS），位于明尼蘇達(dá)州地下800米深的一個(gè)廢棄礦井，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在此設(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)器可以探測(cè)暗物質(zhì)。暗物質(zhì)就在我們身邊流動(dòng)，任何動(dòng)靜也沒有，很小的概率它會(huì)撞上探測(cè)器感應(yīng)裝置原子的原子核，那就是科學(xué)家希望看到的。

位于我國(guó)四川的錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室也是如此，這是我國(guó)首個(gè)用于開展暗物質(zhì)探測(cè)等國(guó)際前沿基礎(chǔ)研究課題的極深地下實(shí)驗(yàn)室，其上方有厚達(dá)2400米的巖石層，可以將穿透力極強(qiáng)的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一，為探測(cè)暗物質(zhì)提供了一個(gè)幾乎沒有干擾的環(huán)境。

“對(duì)撞機(jī)”則是在加速器上將暗物質(zhì)粒子創(chuàng)造出來，并研究其物理特性。常進(jìn)說，由于暗物質(zhì)粒子即使被創(chuàng)造出來，也不會(huì)被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，只能通過其他可以看見的粒子來推測(cè)出是否有暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生。雖然暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到，但它一定會(huì)帶走“能量”，即創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子需要能量，因此從丟失的“能量”和分布可以推測(cè)暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。目前，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)被認(rèn)為很有可能創(chuàng)造出暗物質(zhì)粒子。

“這三種方法互為補(bǔ)充，可以互相印證。如果我們?cè)谔焐险业揭环N暗物質(zhì)粒子，質(zhì)量超過現(xiàn)有加速器的能量上限，那么加速器的能量就必須進(jìn)一步提高。如果我們把暗物質(zhì)的質(zhì)量弄清楚了，會(huì)指導(dǎo)地下的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)修改他們的方案，比如現(xiàn)在清華大學(xué)、上海交大致力于尋找低質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子，國(guó)際上一些組織主要探測(cè)大質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子。如果我們準(zhǔn)確地知道了暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，那地下實(shí)驗(yàn)就會(huì)變得比較明確了，究竟是找怎樣的暗物質(zhì)?！背＿M(jìn)說，“至于暗物質(zhì)衛(wèi)星究竟能發(fā)現(xiàn)什么，還要等數(shù)據(jù)分析的結(jié)果?！?