「悟空」號衛星發現宇宙中或存新粒子，暗物質理論受挑戰

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北京時間2017年11月30日凌晨兩點，《自然》雜誌在線發表一篇來自中國的重量級科研成果，中國暗物質粒子探測衛星「悟空」號獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，並在1.4TeV(萬億電子伏特)處發現反常結構，揭示宇宙中或存在相應質量的新粒子。如果這一發現得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，現有的很多理論包括暗物質模型都將受到衝擊。

什麼是暗物質怎樣探測暗物質

大家都知道，因為萬有引力的存在，星系團內所有星系都繞著其中心旋轉。每個星系的運動速度必須與束縛它的引力達成平衡才不至出軌；而且引力越強，其運動速度越快。實際觀測卻發現，星系的轉速比根據牛頓和愛因斯坦的引力理論計算的結果大很多。說明宇宙中還存在著一類看不見的物質，在為星系提供引力。科學家稱之為「暗物質」。

暗物質看不見摸不著，也不參與電磁相互作用，因此不能用任何光學手段直接觀測。但是它的存在卻關係著宇宙的演化與發展、物質的結構和起源、天體的形成和分布，其物理本質是目前國際上粒子物理和天體物理領域的最重大問題之一。

科學家認為，暗物質粒子相互碰撞，會產生數量可觀的（可見的）高能電子和伽馬射線。這些粒子隨著宇宙射線（來自外太空的高能粒子）中的其他粒子一起，鋪天蓋地向地球襲來。如果能準確捕捉到這些粒子的能量、位置分布，將為暗物質的存在提供有力證據。

看不見的暗物質粒子相互碰撞、湮滅，產生可見的正負電子、伽馬射線等粒子

悟空號的重大成果

「悟空」號暗物質粒子探測衛星，就是專為尋找暗物質而研製的。它採用中國科學院紫金山天文台研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對宇宙射線中超高能電子、伽馬射線的「經濟實用型」觀測。常進研究員擔任衛星的首席科學家。

「悟空」衛星在「高能電子、伽馬射線的能量測量準確度」以及「區分不同種類粒子的本領」這兩項關鍵技術指標方面世界領先，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產生的一些非常尖銳的能譜（能譜指的是電子數目隨能量的變化情況）信號。

悟空號暗物質粒子探測衛星在軌道上

「悟空」號自2015年12月17日發射升空以來，在軌工作530天，共採集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些數據科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果，如圖1所示。

與之前結果相比：

(1) 「悟空」衛星的電子宇宙射線的能量測量範圍比起國外的空間探測設備（AMS-02, Fermi-LAT）有顯著提高，拓展了我們觀察宇宙的窗口。

(2) 「悟空」衛星測量到的TeV電子的「純凈」程度最高（也就是其中混入的質子數量最少），能譜的準確性高。

(3) 「悟空」衛星首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~1 TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對於判定部分（能量低於1 TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵性作用。

尤為重要的是，「悟空」衛星的數據初步顯示在~1.4 TeV處存在能譜精細結構。這在理論上都未曾預料到！（該信號被專家認為可能來自一種質量為1.4TeV的新物理粒子的湮滅，或者某種奇特天體可以加速出單一能量的高能電子）目前「悟空」衛星運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。

圖1：「悟空」衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數據點），以及和美國費米衛星測量結果（藍點）、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果（綠點）的比較。

科學家：新發現揭示了暗物質粒子可能存在的新證據

對於該次發現（精確的高能電子宇宙線能譜），暗物質衛星科學應用系統副總工程師、紫金山天文台研究員范一中解釋道：「通常認為，電子宇宙射線來自天體物理源，比如脈衝星、超新星遺迹，但更吸引人的，是它們（中的一部分）可能來自於暗物質的湮滅和衰變。」

一般認為，1TeV以下的電子宇宙線能譜中的異常，可能來自於新天體物理源或暗物質的湮滅或衰變，但如果這一說法成立，就必須在譜線的高能部分中找到對應於這兩種機制應有的「轉折點」（即上文提到的「拐折」）。「轉折點」以及其後的能譜下降行為反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，下降行為的精準測量可能對於判定部分（能量低於1TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵性作用。

由於以往測得的宇宙射線能譜高能部分不夠寬，因而這種「截斷點」難以看到。現在悟空號最精確的給出了這一數據：確實在1TeV附近存在這種轉折。「我們真的很幸運，我們的確找到了這個轉折。」范一中說到。

但譜線中1.4TeV處存在的跳變（即上文提到的「精細結構」），才是更吸引人的一個重大發現，之前沒有任何理論物理學家預言過這一現象。

對此，紫金山天文台與中國科學技術大學的工作人員反覆確認了1年半的時間。

要解釋這一現象，「理論物理學家面臨的選擇是不多的，能譜此處的電子速度只比光速小十萬億分之一」，范一中說到。

對於這一新奇現象，中國科學院大學常務副校長、中科院院士吳岳良認為：有兩種機制可能產生這種電子能譜。

一種是鄰近天體短暫產生了高能電子，即現象來自「短暴源」，如脈衝星雲、超新星遺迹。但是悟空號測得的能譜與通常脈衝星能譜的冪律指數有一定區別，表示該種可能性不大。

另一種則是宇宙中存在可以連續產生高能電子的天體，即現象來自「連續源」，比如暗物質聚集在距離比較近的中等質量黑洞周圍，或是星系周圍存在大量的質量為一千萬倍太陽左右的暗物質子結構，形成一種「暗物質子暈」。

總之，「『悟空』的暗物質實驗觀測到的1.4TeV附近的尖銳電子能譜，可以說揭示了暗物質粒子可能存在的新證據。」吳岳良說到。

目前悟空號還在持續收集數據，如果這一發現（1.4TeV處的跳變）得以確證，必將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，現有的很多理論包括暗物質模型都將受到衝擊。

據了解，「悟空」衛星是中國科學院空間科學戰略先導專項的首發星，它最早由紫金山天文台的常進研究員於2005年提出，在原中國科學院基礎局、科技部的支持下研製了原理樣機。該衛星的探測器由紫金山天文台、中國科學技術大學、近代物理研究所、高能物理研究所與國家空間科學中心聯合研製。

文章由企鵝科學和科普中國聯合推出

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