100分的「悟空」和看不見的暗物質

　　據新華社消息，10日，國家重點研發計劃「基於暗物質粒子探測衛星的科學研究」項目啟動會在南京舉行。截至目前，暗物質衛星「悟空」已正常運轉328天，飛行5011軌，姿態穩定，已完成全天區覆蓋，共探測事例（包含各種粒子信息的數據）約16億個。

　　去年12月17日發射升空的「悟空」是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優和粒子鑒別能力最強的暗物質粒子探測衛星。隨著時間推移，「悟空」的表現越來越好，等到三個月的在軌測試結束後，所有參與評審的專家給其表現打了100分。

　　走進神秘的暗物質

　　我們對暗物質一詞並不陌生，它曾多次出現在電影、科幻小說和電腦遊戲中，這些作品往往會賦予暗物質超乎尋常的特性。這些描述通常與暗物質在物理學和宇宙學中的已知特性不符。例如在電腦遊戲中，暗物質常常被描述成一種黑色或類似顏色的用於製造武器裝備的材料。

▲關於暗物質的「傳說」：「暗物質槍」是電腦遊戲《雷神之錘4》中最強大的武器。

　　那麼，暗物質到底是什麼呢？時至今日，這仍然是科學家們試圖解答的謎題。你我都由中子、質子和電子組成。利用宇宙線和加速器開展的粒子物理實驗告訴我們，一系列粒子彼此交互、形成了我們看到的世界。標準模型描述了所有已知粒子和它們之間的相互作用。但天文學觀測、計算機模擬及核理論計算都使我們相信，標準模型僅能解釋宇宙中很小的一部分質量。宇宙中的其它成分是什麼？已有測量顯示，宇宙中還有約26.8%的暗物質和約68.3%的暗能量。

　　關於暗物質的證據最初於上世紀30年代浮出水面。天文學家茨威基（Fritz Zwicky）發現，被引力牽引在一起的星系的運動不符合萬有引力定律，除非星系團中存在大量用望遠鏡看不到物質。此後數十年中，更精細的理論和更靈敏的實驗工具不斷發展，相關發現進一步驗證了暗物質的存在。到上世紀90年代，除星系運動，人們還找到了其他證據。例如，宇宙中的星系和其它大型結構的形成、來自早期宇宙的宇宙微波背景輻射中的溫度波動模式等。

　　▲普朗克衛星團隊於2013年對宇宙組分及其所佔比例做出的修正（右側為修正結果），下方色塊從左到右依次為暗能量（黃色）、暗物質（桔色）、普通物質（紅色）

　　諸多證據顯示暗物質在宇宙中確實存在。科學家們開始不遺餘力的探究暗物質的成分。它會不會是由類似褐矮星和大型行星的熟悉天體組成的呢——由標準模型中的「原料」構成但不發光，所以對天文學家來說是不可見的？理論和實驗最終均顯示這種簡單的解釋並不可靠，暗物質對於我們來說是全新的，相關研究需要「另闢蹊徑」。一系列實驗隨之展開，科學家們開始在標準模型之外尋找能夠解釋部分或全部暗物質的新型粒子。與此同時，理論物理學家開始發展各種富有創造性的理論，猜測何種新粒子能夠將星系運動、大尺度結構和宇宙微波背景的變化「一網打盡」，解釋所有觀測到的現象。

　　小貼士：暗物質與引力

　　在此要特別提一下暗物質和引力之間的關聯。我們目前對暗物質的了解來自於天文學，相關天文觀測進行推測的基礎是暗物質參與的引力相互作用。科學家通過兩種方式研究引力對天體的影響：觀測引力對天體運動方式的影響，或引力對光線傳播方式的影響。從實驗角度看，沒有理由相信暗物質會與普通物質或其自身發生除引力之外的任何相互作用，儘管在理論上有不少與之對立的推測。

　　天文學家開始研究星系和星系團的運動後，人們對暗物質的認識逐步發展。一個長度為15萬光年的星系包含的暗物質是普通物質的2-10倍，暗物質產生的引力對其運動會產生重要影響。在太陽系中，普通物質集結成塊（恆星和行星），而暗物質則向外擴散。一般來說，星系由大部分空白空間和密度很大的普通物質集合體交錯而成。

　　單個太陽系中包含的普通物質遠遠超過暗物質，暗物質對塑造太陽系所起的作用並不大。在更大的尺度結構上，觀測顯示暗物質和普通物質對星系運動方式的影響不分軒輊。在最大的尺度結構上，暗物質對決定星系團和超星系團（星系團組成的群和集團）的運動方式起關鍵作用。要研究暗物質，我們需要研究大小達到或超過星系尺度的天體。

　　明亮伸展的物體是星系團ACO3341中的星系。星系團ACO3341距銀河系約5億光年，包含大小形狀各異的星系和發光體，它們之間由引力牽引在一起。該星系團中的暗物質遠遠超過發光物質，暗物質對所有星系之間的相對運動起重要作用。

　　科學研究的處女地往往不是一馬平川。經歷過漫長的沉寂期，暗物質研究在其被發現的四十年後才逐漸發展和升溫。科學家在不同領域先後取得重要發現，研究手段也不斷進步，包括觀測暗物質粒子在宇宙空間發生湮滅或衰變之後產生的穩定粒子。讓我們一起期待「悟空」能夠有所斬獲。

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