更新时间2018-03-07 11:33:36
从中国科学院获悉，暗物质粒子探测卫星“悟空”获得了世界上最精确的TeV电子宇宙线能谱(1TeV=1万亿电子伏特)，该成果于北京时间2017年11月30日在Nature杂志在线发表。“悟空”卫星的首批科学成果标志着中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出有了新突破。
“悟空”卫星的使命：寻找暗物质
什么是暗物质？简单来说，当太阳系围绕银河系中心旋转的速度太快时，天文学家设想，在银河系中除了可见物质之外，一定还有其他看不见的物质，它们合在一起的引力拉着太阳，使其不至于由于速度过高而飞离现在的位置，这些看不见的物质就被暂时称为暗物质。天文观测表明宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质要多5倍，暗物质和暗能量占当今宇宙总能量密度的95%。发现暗物质，成为了重大的科学前沿。
中国于2015年12月17日成功发射的首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) 正是追捕暗物质这一妖魔鬼怪的“齐天大圣”。它的核心使命就是瞄准这一重大科学前沿，在宇宙线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。
根据目前理论物理学家的解释，如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭，将可能转换为高能电子，到空间去精确地探测高能电子能谱，就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。“悟空”卫星的科学思想和探测技术来自于暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进，他20年来始终关注天体高能粒子的能谱，并探索用最简洁和高效的办法直接获取能谱数据。“悟空”卫星采用了分辨粒子种类的新探测技术方法，实现了对高能电子、伽马射线的“经济适用型”观测。
“悟空”卫星需要观测多种高能粒子，这也是它遇到的最大挑战。值得高兴的是，在常进看来，“悟空”卫星工作表现几乎完美，到目前为止，卫星在轨将近 2年，所有探测器性能和刚发射时一样，保持100分的状态。
据常进介绍，与国外的空间探测设备相比，“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高，拓展了我们观察宇宙的窗口。同时，“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。
首批科学成果：或将成开创性发现
经过一年多的数据积累，“悟空”终于有了重大发现。它成功获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果，为暗物质间接探测提供了关键性的研究数据。
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。
“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗高能电子宇宙射线。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。
当去年“悟空”卫星的测量结果展现出相关迹象的时候，科学家们既激动，又担心。激动的是出现了重大发现的苗头，担心的是这个迹象是不是由于能量测的不准。之后一年的时间里，紫金山天文台和中科大投入了大量的人力核查，最后确信能量测量结果是可靠的。现在除了深入发展分析的方法，科研团队还在等待“悟空”卫星收集更多的数据。
“‘悟空’运行非常完美，我们还需要大量的测试和数据。”暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中告诉记者，“就我们探测到的整个能谱而言，还是可以引入一些简单的暗物质模型来拟合。但是暗物质如果真的湮灭或衰变，那么会发生在宇宙中的各个角落。因此其他天文观测也有一些限制，基于这些限制我们发现前面那样简单的暗物质模型已经受到了挑战。我们或者需要更复杂的暗物质模型，或者是天体物理源。这有待世界各国的科学家进行深入的研究。”
暗物质，有多神秘？
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”。
暗物质，我们如何才能找到你？
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。
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。
“悟空”有多牛？
“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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