捕捉暗物質(zhì)

張超

在《西游記》里，孫悟空擁有一雙“火眼金睛”，捉妖降魔，無所不能。而在宇宙空間中，我國也有一雙洞察暗物質(zhì)蹤跡的“火眼金睛”，它就是中國科學(xué)院紫金山天文臺主導(dǎo)研發(fā)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”，它是我國發(fā)射的第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。北京時間2017年11月30日，英國《自然》雜志在線發(fā)表了“悟空”的首批成果——探測器在特定的能量區(qū)域觀測到了尖銳的能譜信號，這為“探索暗物質(zhì)”這一世紀性的物理學(xué)難題提供了新的線索。

發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的線索

宇宙中的各種天體之間通過引力作用，形成了包括星系在內(nèi)的復(fù)雜的天體系統(tǒng)。1937年，美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，后發(fā)座星系團必須有當(dāng)時觀測到的已知物質(zhì)400倍的質(zhì)量存在，才能提供足夠的引力維系該星系團內(nèi)物質(zhì)的運動。隨著宇宙探測技術(shù)的提升，在大量的星系里，科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了這種質(zhì)量缺失的現(xiàn)象，而這便是由暗物質(zhì)造成的。

如果沒有特殊的物理現(xiàn)象，我們觀測到的由天體活動產(chǎn)生的電子能譜信號是平滑遞減的。例如，宇宙中能量巨大的γ射線因為能量損失，無法達到地球，所以觀測到的數(shù)量十分少；如果因為特殊的物理機制產(chǎn)生了一個特定能量的γ射線，那么在探測器中就能觀測到一個強烈的電子能譜信號。北京時間2017年11月27日，中國科學(xué)院發(fā)布“悟空”在1.4萬億電子伏特的能量區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)了一個新的能量信號，而這極可能是由暗物質(zhì)造成的。

隱身精靈——暗物質(zhì)

以現(xiàn)有的技術(shù)手段，物質(zhì)要被觀測到，就必須轉(zhuǎn)換為電磁信號，科學(xué)家通過分析不同頻段的電磁信號的來源來研究物質(zhì)背后的物理本質(zhì)。如果一個物體自身無法發(fā)出電磁信號，這就意味著它無法被直接觀測到；如果它不與電磁信號發(fā)生作用，那么它就很難被觀測到，而暗物質(zhì)就屬于這樣的隱身精靈。

暗物質(zhì)大量存在于宇宙空間中，而我們只能從由引力作用產(chǎn)生的各類天體運動中窺探到它的蹤跡。暗物質(zhì)存在的意義重大，天文物理學(xué)中諸多的物理現(xiàn)象只能用暗物質(zhì)才能解釋。例如，在愛因斯坦相對論的描述中，光線經(jīng)過大質(zhì)量的天體附近時，光線會產(chǎn)生類似穿過透鏡時的彎曲現(xiàn)象，這就是所謂的引力透鏡現(xiàn)象。經(jīng)X射線天文衛(wèi)星的觀測結(jié)果證實，暗物質(zhì)引起的引力透鏡現(xiàn)象已經(jīng)被觀測到。

對于神秘莫測的暗物質(zhì)，目前，科學(xué)家共有三種方式可以對其進行研究。

第一類是建造粒子對撞機，將普通粒子加速到光速，然后產(chǎn)生碰撞，制造出暗物質(zhì)產(chǎn)生所需要的溫度以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。目前全世界最大的粒子對撞機是位于瑞士日內(nèi)瓦和法國邊界的大型強子對撞機，它的周長達到了27千米，能將粒子加速到十幾萬億電子伏特的能量進行碰撞，并希望由此產(chǎn)生暗物質(zhì)。

第二類是發(fā)射暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，探測暗物質(zhì)在湮滅或者衰變過程中產(chǎn)生的電磁信號產(chǎn)物。“悟空”就是利用這種方式搜索、探測暗物質(zhì)的。

第三類是建造地下實驗室，用于觀測暗物質(zhì)粒子與核子產(chǎn)生散射的產(chǎn)物。由上海交通大學(xué)主導(dǎo)開展的PandaX實驗，探測彌散在地球周圍的暗物質(zhì)粒子碰撞到氙原子核可能發(fā)出的微弱信號。經(jīng)過精確的測量分析，PandaX實驗已基本確認1萬億電子伏特的能量區(qū)域內(nèi)已難以找到暗物質(zhì)的存在證據(jù)。

“悟空”的過人之處

“悟空”擁有十分強大的寬波段探測能力，在500千米高的太陽同步軌道，它能探測到能量范圍從50億電子伏特到10萬億電子伏特的宇宙射線。它每天掃描整個空間4次，平均可收集500萬個宇宙射線。自2015年底發(fā)射至今，“悟空”總共獲取了約35億個宇宙射線，并在這些信號中猶如“大海撈針”般捕捉到了1.4萬億電子伏特區(qū)域附近的能量信號波動。

得益于科學(xué)家的精巧設(shè)計，“悟空”的分辨能力很強，它搭載的暗物質(zhì)粒子探測器能對高能電子和γ射線進行高精度的測量，并且能剔除大量的背景信號，對電子的鑒別能力遠遠超過了以往儀器的探測能力。這也是它能在短時間內(nèi)找到1.4萬億電子伏特處這一能量信號異常波動的根本原因。

在眾多的探測結(jié)果中，“悟空”重新確認了在9千億電子伏特處的一個信號，新發(fā)現(xiàn)了位于1.4萬億電子伏特處的一個信號。由于以往開展的關(guān)于暗物質(zhì)的研究結(jié)果已基本排除了1萬億電子伏特以下存在暗物質(zhì)粒子的可能，所以1.4萬億電子伏特處的信號就顯得尤為重要。不過，這個能量信號雖然有可能是由暗物質(zhì)產(chǎn)生的，但也有可能是由中子星、超新星等天體活動產(chǎn)生的。要確定它的真實面目，我們還需等待科學(xué)家更多的探索，揭開宇宙空間更多的秘密！endprint