不愧是“悟空”！发现暗物质要借助火眼金睛

北京时间2017年11月30日，《Nature》在线发表了中国科学家的重磅发现，中国的暗物质探测器“悟空”(DAMPE)号探测卫星在高能电子宇宙线能谱的1.4TeV处发现了明显的异常，这可能是科学家追踪了八十多年的暗物质所留下的迹象。

中国的暗物质探测卫星被命名为“悟空”

暗物质是何方神圣？“暗”的意思是人类看不到它，不仅用肉眼看不到，用各种波段的望远镜也不能直接观测到它，因为它不会和我们已知的物质发生电磁相互作用。上世纪30年代，天文学家发现恒星和星系的运动与万有引力的计算结果存在很大差距，为了解释这种现象，天文学家给出了暗物质的概念。在宇宙中存在我们看不到的暗物质，正是它的存在导致了星系的观测数据与理论差别巨大。70年代后，对大质量的星系进行观测后进一步发现，如果只考虑我们熟知的常规物质，星系间的引力不可能达到实际上的这么大。宇宙中存在暗物质的观点得到了普遍认同。

进一步的研究发现，人类可见的物质大约只占宇宙的5%，暗物质大约占27%，其余的是暗能量。100多年前物理学的“两朵乌云”直接导致了20世纪两座科学大厦相对论和量子力学的建立，而21世纪初科学界的最大谜团就是暗物质和暗能量。如若找到暗物质或暗能量就相当于发现了一个崭新的宇宙，这令无数聪明绝顶的物理学家竞相为之折腰。

暗物质不与物质发生电磁相互作用，怎样寻找它呢？最容易想到的就是用大型加速器。高能粒子在大型加速器里的碰撞可以模拟宇宙诞生的情景，科学家们希望能从碰撞中发现暗物质的踪迹。遗憾的是，在大型加速器上一直没有取得暗物质的可喜发现，就连粒子物理学家一直盼望的标准模型之外的粒子也未有发现。

另一种方法根据暗物质在宇宙中分布的不均匀，暗物质粒子与物质的原子核发生碰撞，可以通过光或电等信号将原子核的被撞击显示出来。地球转到不同的位置，因暗物质的分布不均匀，碰撞信号就会随季节有周期性的变化。中国在四川雅砻江的锦屏建有深度达2500米的世界最深实验室，厚厚的岩石和土壤可以有效降低宇宙射线的影响，可惜这个世界最深的地下暗物质实验室运行了几年也未发现暗物质的任何踪迹。

根据理论，暗物质粒子湮灭会产生正负电子对，可以扫描一下宇宙射线中的电子能谱图，看一看不同能量的电子在宇宙射线中的分布。如果在能谱图中发现了异常，或许那就是暗物质留下的踪迹。之前上天的阿尔法磁谱仪和费米卫星就期待用这种办法寻找宇宙中的暗物质，并且根据传回的数据已经发行了一些异常，只可惜它们能够观测的能量范围比较窄。

这次大显身手的“悟空”号用的也是这种方法，为什么中国的“悟空”带来了令人兴奋的数据？因为它有“火眼金睛”！它能探测的能量范围最广，这样可以在能谱图中绘制更大范围的图像；能量分辨率很高，细微的能量差别也能够分辨出来，这样可以更加容易的察觉出精细图谱中的突起；另外它的粒子分辨本领也非常强大。

红色系“悟空”给的能谱数据

首席科学家常进

根据理论推测，如果暗物质湮灭为正负电子对，在能谱图的1TeV附近，会有一个非常陡的突起。“悟空”号首次探测到1TeV附近的突起。更加意外的是，在1.4TeV处，还出现了一个明显的尖锐，虽然它还有待于更多观测的确认，但已是非常的明显。北京时间11月30日凌晨，《Nature》在线发表了中国科学家的研究，瞬间引起了刷屏。

1.4TeV处的突起超出现有的理论，一旦得到确认，这部分粒子的出现有可能为暗物质的存在提供新的证据，也有可能会导致人类尚未认识到的全新天体的发现。不管是哪种结果，都是重大的发现。1TeV附近的突起对于判断这部分电子是否来自暗物质能够起到关键作用。这样的发现，不仅是中国科学史上的大事，也是人类探测暗物质过程中具有里程碑意义的大事。

“悟空”的火眼金睛为人类探测暗物质提供了强大的推动力，也期待中国的科学家能够在科学的舞台上持续获得更强大的推动力。