「悟空」火眼金睛 洞察宇宙奧秘

作者：袁強（中國科學院紫金山天文台）

導語

北京時間2017年11月30日凌晨2點，《自然》雜誌正式在線發表中科院暗物質粒子探測衛星「悟空」（DAMPE）的探測成果：「悟空」衛星的科研人員成功獲得了目前世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。

北京時間2015年12月17日，中國第一顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星「悟空」（DAMPE）順利升空。

北京時間2017年11月30日凌晨2點，《自然》雜誌在線發表了「悟空」的首篇科學論文。

在兩周歲生日之前，科學家們為「悟空」送上了一份大大的生日禮物。

圖1 發射前夕，通過征名活動，暗物質粒子探測衛星被命名為「悟空」（圖片來自於網路）

媒體紛紛以「中國科學家揭開暗物質之謎」「『悟空』找到了暗物質！」這樣的標題進行了報道。

等等，似乎哪兒有點不對。

圖2 知識的貧窮限制了我的想像力（圖片來自於網路）

說好的暗物質粒子探測衛星呢？第一次發布的重大成果怎麼是「獲得了高能電子宇宙線能譜」呢？

要回答這個問題，就要說到高能電子宇宙線能譜和暗物質探測的關係。

高能電子宇宙線能譜和暗物質有何關係

首先，暗物質是什麼？暗物質真的存在嗎？

暗物質（Dark Matter）的提出，和關於它是否真的存在的討論，是一個很長的故事，不少文章都介紹過。因為今天的主角是「悟空」號，我們不得不忍痛將這段精彩的歷史放入本文的「延伸閱讀」。

總之，對於物理學家們來說，暗物質最好是存在的，否則這個世界將更讓人難以理解。

為了回答暗物質是否存在這個問題，有一撥人選擇了一條不太好走的路——在實驗室里尋找暗物質。如果能夠在實驗室里找到暗物質，不但可以回答暗物質是否存在，還可以回答暗物質到底是什麼。

但是，要怎麼尋找呢？

顯然也不能像無頭蒼蠅一樣到處亂撞，那樣成功的概率最低。我們仍然要從天文觀測中去尋找線索。

為暗物質「畫像」

刑偵人員破案的時候，往往會根據現有線索為罪犯進行「畫像」。同樣的，根據天文觀測結果，人們獲得了兩個關於暗物質的重要線索，為暗物質進行了「畫像」。

其一跟宇宙的大尺度結構相關。

圖3 宇宙中星系形成的大尺度結構長這樣（圖片來自於網路）

大尺度結構的演化模式跟暗物質的速度這一屬性相關，如果暗物質運動很快（快到接近光速），那麼它們形成的結構應該是早期大、今天小（碎裂模式）；反之則是早期小、今天大（增長）。

觀測結果告訴我們，宇宙結構是由小到大增長的，說明暗物質的速度應該比較小，稱作「冷」暗物質。這一般意味著暗物質會比較重，才不容易獲得大的速度。

其二跟暗物質的丰度有關。丰度就是暗物質在宇宙中的佔比。

我們知道宇宙始於大爆炸，從高溫高密的狀態逐漸膨脹冷卻至今天的狀態。

圖4 大爆炸後的宇宙（圖片來自於網路）

在早期宇宙的高溫高密條件下，發生著豐富的物理過程，其中之一就是粒子和反粒子的湮滅以及產生。這樣的過程頻繁地發生著，直到宇宙膨脹冷卻至某個特定時刻，粒子和反粒子由於碰撞率變低而碰不到一塊兒，這個過程停止，剩下的粒子和反粒子也將遺留下來。

湮滅和產生過程何時停止呢？這個時刻取決於湮滅概率（術語叫截面），即粒子之間的相互作用強度。而這個停止時刻又將決定剩下的粒子多少。

假設暗物質粒子及其反粒子在早期宇宙中經歷了類似這樣的過程，那麼根據今天剩餘的暗物質丰度，我們可以反推得到暗物質的湮滅概率，恰好在弱相互作用的水平。

圖5子彈星系團，是宇宙中一大一小兩個星系團相撞後留下的混合體。上面的圖像是綜合利用了哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線天文台和大麥哲倫望遠鏡所收集的數據合成的。其中，紅色部分代表了由兩個星系團相撞而產生的高溫氣體所輻射的X射線，藍色則代表了分布在兩側的暗物質。（圖：NASA等）

這也可以解釋為什麼我們不能直接看到暗物質：因為它們的相互作用本來就很弱！

根據這些結果，我們便可以勾勒出暗物質極有可能的模樣：一種具有弱相互作用的大質量粒子。

圖6 電腦合成的數百萬光年以外的太空中暗物質圖（圖片來源於網路，出處見水印）

2.

到宇宙中尋找暗物質的蹤跡

同樣，跟刑偵人員破案一樣，有了重點懷疑對象之後，我們便可以制定「抓捕」對策。

科學家琢磨出了三套「抓捕」暗物質的方案，簡稱為「上天入地對撞」。

「入地」指的是在地下設置探測靶子等待暗物質自投羅網。這個方案探測的是暗物質粒子和普通物質粒子之間的碰撞過程。因為空氣中有許多宇宙射線粒子，會干擾探測，所以一般要「入地」以屏蔽掉宇宙射線本底。

圖7 PandaX實驗組的研究人員準備進入中國錦屏地下實驗室（圖片來自於網路）

「對撞」指的是在大型粒子對撞機上產生出暗物質粒子。因為大型加速器和對撞機的建造費時、費力又費錢，這個方案代價很高昂。

圖8 造價不菲的歐洲大型強子對撞機（圖片來自於網路）

「上天」指的是發射空間高能粒子探測器，探測暗物質湮滅或衰變的產物粒子，例如正負電子、正反質子、伽馬光子等。因為這些粒子無法穿過地球大氣層，所以需要「上天」。

這裡我們重點說一下「悟空」號所執行的「上天」。

這種方法的基本思路很簡單，雖然我們「看不到」暗物質粒子，但暗物質粒子在與暗物質粒子碰撞後，會產生我們能夠「看到」的粒子，例如伽馬射線、電子和正電子、質子和反質子、中微子等。通過探測「看的到」的，來探測「看不到」的。

而且，暗物質粒子湮滅過程中產生的高能電子，反映在能譜上，會是一些奇特的特徵信號。根據常規的天體物理過程，電子能譜是平滑變化的，而暗物質湮滅產生的電子譜則會在其對應的質量處呈現出一個截斷，或者甚至有可能產生單一能量的電子，這樣在電子能譜上可能會看到快速截斷或者單能線譜一類的特徵。

如果我們的衛星探測精度足夠高，是有可能揭示這些特殊結構的。這也是暗物質粒子探測衛星發布的第一個成果是獲得高能電子宇宙線能譜的原因。

目前，國際上的暗物質探測實驗以「上天入地」為主。我國開展的暗物質探測實驗包括暗物質粒子探測衛星「悟空」，錦屏深地實驗「熊貓」（PandaX）和CDEX，並且參與了一些國際合作項目例如「阿爾法磁譜儀」等。

在暗物質探測方面，我國雖然起步較晚，但發展迅速，已經站在了國際前沿，取得了很好的成果。其中「熊貓」實驗在2016和2017年兩度報道了其以世界最高靈敏度對暗物質搜尋的結果，雖然沒有發現暗物質事件，但給出了對暗物質屬性最為嚴格的約束。

二、

我們找到暗物質了嗎？

目前還不能這麼說。但「悟空」正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奧秘。

「悟空」號至今已穩定在軌運行接近2年，獲取了35億高能宇宙射線事例。

由於其獨創性的設計，「悟空」號衛星的花費比國際同類儀器少數倍到數十倍，但是卻在電子/伽馬的能量測量精度和質子-電子鑒別能力等指標上達到了國際最高水平，從而也成為國際上探測暗物質的利器。

「悟空」號發布了什麼成果？

「悟空」號衛星今日發布的第一個重大科學成果，就是給出了高能宇宙射線電子能譜最為精確的測量結果（圖9）。

圖9「悟空」號對宇宙射線電子能譜的測量結果（紅點），以及與之前別的實驗觀測結果的對比（來自Nature, 2017）

這一結果反映出了電子宇宙射線能譜的兩個有趣特徵：

1)電子能譜在大約1 TeV（TeV為萬億電子伏特，相當於可見光能量的一萬億倍）能量處呈現出一個拐折；

2)在能量約1.4 TeV處發現一個尖峰狀精細結構。

2

「悟空」號的成果有何意義？

得益於「悟空」號的高能量解析度和低本底混入率，它的精確測量結果可以顯著地改善我們對電子宇宙射線模型的認識。

1）第一個能譜拐折，在之前的實驗HESS中，曾觀測到類似跡象，但由於誤差很大，不能明確下結論。而空間實驗Fermi-LAT的結果卻表面沒有拐折。「悟空」號的結果清晰無誤地測量出了這個拐折。

這個拐折說明銀河系中電子宇宙射線源的分布特徵出現了明顯變化。

因為電子在宇宙空間中傳播的時候會通過同步輻射等過程損失能量，越是高能量的電子損失能量的速率越快。這意味著越是高能的電子，傳播的範圍越小。

例如，對於1 TeV能量的電子，基本上只能傳播3000光年的距離，而10 GeV的電子則可以傳遍整個銀河系。由於高能電子的傳播範圍小，在這個範圍內，源的數目也很稀少，因此我們在地球附近觀測到的高能電子很可能只是來自於個別源。而低能電子情況有所不同，那是大量源的平均效應。

打個比方，就好像我們燉了一鍋骨頭豆子湯，如果把骨頭切成和豆子一般大小，那我們隨便盛一勺湯裡面總會是豆子骨頭都有。但往往骨頭要大塊很多，數量也不可能像豆子那麼多，這個時候盛一勺可能有骨頭也可能就沒有骨頭。

2）第二個特徵則是「悟空」號率先觀測到的，之前的所有實驗中都沒有看到類似現象。可以說，1.4 TeV處的結構則是所有人都沒有預期到的新現象！

這意味著可能在宇宙空間中存在質量約1.4 TeV的新粒子，或許就是人們長期以來苦苦搜尋的暗物質粒子。

另一種可能性是宇宙中存在某類獨特的粒子加速器可以將電子加速到單一能量。要知道，此前只有在實驗室中通過精細調節實驗裝置，我們才能夠獲得單能粒子束。我們猜測，脈衝星可能可以扮演這個角色。

圖10 脈衝星（圖片出處見水印）

脈衝星是恆星死亡後留下的一種遺迹，是一種極端緻密、強磁場、快速轉動的天體。脈衝星非常穩定的轉動形成的感應電場或許可以加速出單一能量的高能電子。

無論是哪種情況，這都將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現！

三、

我們距離「找到暗物質」，還有多遠？

「悟空」號的首秀就發現了超出人們預期的新現象。

不過，由於高能量粒子數量稀少，現在還不能完全排除是統計波動的影響。「悟空」號的當務之急是繼續收集數據，提高統計量，以確切地驗證該新結構的真實性。可以預計，再經過一到兩年的時間，「悟空」號的數據將對1.4 TeV這個結構的真實性給出明確的結論。

這裡需要補充一點，很多人關心「悟空」號未來還要在軌運行多久、能收集到多少粒子。目前，「悟空」的工作狀態十分穩定，每天平均收集500萬個粒子，預計還將服役3年，理想狀況下，我們將還能收集到50億個粒子，屆時我們將對許多問題給出清晰的說明。

另一方面，「悟空」號的結果也給別的實驗提供了一個潛在的目標，給出了參考指標。

例如，未來的對撞機實驗可以有針對性地對這個能量段進行設計；地下實驗也可以試圖提高對更重的暗物質粒子探測的靈敏度；別的空間實驗可以驗證「悟空」號的結果或者進行伽馬射線等觀測輔助檢驗該結果的物理起源（暗物質模型和天體物理模型會預期不同的伽馬射線信號）。

我相信，暗物質在不遠的將來就會露出它的「廬山真面目」。

----延伸閱讀----

如同「幽靈」一般的暗物質，是從十九世紀進入人們視線的。

有一句俗語叫「眼見為實」，很多事情如果親眼所見了，我們就會樂意相信它、接受它。對我們所生存的宇宙，一開始我們也都抱著這樣的觀念去認識它。

然而，宇宙真的就是我們所看到的這樣嗎？

「暗物質」的提出與證據

我們從1845-1846年兩個年輕人的故事說起。

當時，人們知道太陽系有七大行星，行星繞著太陽做橢圓軌道運動，根據牛頓引力定律，我們可以精確地計算每個行星如何運動，包括行星之間的相互影響。對行星運動的觀測也達到了相當精確的程度，而且觀測和理論預期符合得相當好，一切事情看起來都很合理。

然而，最外圍的行星——天王星，它的運動似乎有點不那麼完美，和理論預期相比較總有一些偏差。觀測家認為，這個偏差已經遠遠大於他們的觀測精度，他們不背這個鍋。怎麼辦呢？當時就有人推測天王星外圍可能還有一個未知的大行星，它的引力影響了天王星的運動。

圖11 英國天文學家約翰·柯西·亞當斯（左）和法國天文學家烏爾班·勒維耶（右）（圖片來源於網路）

英國天文學家約翰·柯西·亞當斯和法國天文學家烏爾班·勒維耶獨立地計算得到了這個未知天體的軌道參數。

圖12 德國天文學家約翰·加勒（圖片來源於網路）

德國天文學家約翰·加勒獲悉了這個事情，就將望遠鏡對準勒維耶預言的天區，不出意外，加勒果然發現了一顆新的行星——海王星。海王星的發現是牛頓力學的一次偉大勝利。

類似的方法屢試不爽。

圖13 瑞士天文學家弗雷德·茨威基（圖片來源於網路）

如上世紀三十年代，瑞士天文學家弗雷德·茨威基和美國天文學家辛克萊爾·史密斯研究發現星系團中的星系也不按常理運動，比按照引力定律預期的運動速度快很多。他們推斷，這些星系團里應該存在大量不發光的物質，即暗物質。

到了六十年代，光譜觀測技術的新進展使得人們對天體運動速度的測量取得了質的飛躍。以肯特·福德、維拉·魯賓、肯·弗里曼等為代表的天文學家對星系的轉動速度的測量取得重大突破。他們發現，星系裡的物質繞著星系轉動的速度隨半徑的變化（旋轉曲線）也不服從牛頓引力定律所預期的越遠越慢的現象，而往往是保持不變，甚至也有越遠越快的情況。

圖14 理論上，銀河系是這樣動的（圖片來源：ESO/L. Cal?ada）

圖15 通過觀測，發現銀河系實際上是這樣動的（圖片來源：ESO/L. Cal?ada）

如果你看不出兩者的不同，可以把它們放在一起看。

圖16 左為理論中運轉狀態，右為現實中的運轉狀態（圖片來源：ESO/L. Cal?ada）

解決問題的辦法仍然是：加暗物質！

這裡插一句話，維拉·魯賓女士於2016年12月25日去世，我個人認為，學界欠她一枚諾貝爾獎。

圖17 維拉·魯賓（圖片來源於網路）

時至今日，越來越多的證據表明宇宙中存在大量的暗物質，它們通過引力效應在黑暗中操控著那些發光天體的運動，讓它們表現得桀驁不馴，卻盡在暗物質掌中。

而人們也曾以為暗物質之所以看不見是因為它們發光很弱，或者在可見光之外的波段發出輻射，只要造出足夠大的望遠鏡，或者其它波段的電磁探測儀器，總會像逮住海王星那樣發現它們的。

事實上確實也部分如此。

例如，星系團里存在大量的高溫氣體，它們的輻射集中在X射線波段，通過X射線望遠鏡人們很容易就看到它們明亮的輻射。然而天文學的觀測及時地制止了這種天真的想法。宇宙的物質組分會影響宇宙的膨脹歷程、元素合成、以及結構形成等一系列過程。通過對大爆炸遺留下來的一種稱作微波背景輻射的東西，還有宇宙中輕元素的丰度，星系和星系團的分布等的觀測，人們可以精確地測量出宇宙的組成成分：能發光的普通物質佔比約5%，暗物質占約27%，暗能量占約68%（圖18）。

暗物質比我們熟知的普通物質多5倍左右，而且它們在本質上顯著不同於普通物質！看來我們可能不得不接受這樣一個事實：現代物理學建立起來的知識體系僅僅只能解釋5%的宇宙成分，另外95%我們幾乎是一無所知的。

圖18 天文觀測對宇宙組分的測量結果。左圖反映不同觀測手段對宇宙物質組分和暗能量組分的能量密度觀測結果（來自ApJ, 2012, 746, 85）；右圖為宇宙中普通物質、暗物質、暗能量的佔比（圖片來自PLANCK官網）

不過，有的人仍堅持認為，並不存在暗物質。

他們的理由是，目前暗物質存在的證據全都來自引力觀測，萬一是引力定律錯了呢？

引力定律當然不會錯得很離譜，至少在地球上，甚至太陽系裡它們經受住了很嚴格的檢驗，否則我們不可能將衛星送上天，不可能精確地進行授時和導航。

但是，需要暗物質來解釋的奇特現象，都出現在很大的宇宙尺度，或者說很弱的引力場里。沒有誰能保證，在那樣的情況下，引力定律還能夠百分百正確。

於是，有些大膽的學者，擔著「冒天下之大不韙」的風險，向牛頓和愛因斯坦的理論開起了刀。

然而，很多這類的嘗試難以稱得上成功，它們往往頭疼醫頭、腳疼醫腳，通常只能解決某個或者某些個問題，不能對大多數天文觀測給出統一的解釋。另一方面，很多的修改讓理論失去了其原有的美妙和自洽，也很難讓人接受。

對於物理學家們來說，暗物質最好是存在的，否則這個世界將更讓人難以理解。

面對這些爭論，還有一撥人走上了「尋找暗物質」的道路，試圖在實驗室里找到答案。為了揭開它的面紗，人們已經投入了數百億美元，雖然直到今天還未得到確定回答，但可以肯定，我們正一步步接近這神秘的「幽靈」。

編輯：中國科學院計算機網路信息中心 殷向榮

（文章首發於科學大院，轉載請聯繫cas@cnic.cn）

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