“悟空”这次捉到“妖”了?

  “它看不见摸不着,质量却是宇宙中可见物质的5倍;它不发光不发热,却影响着宇宙的归宿。它是暗物质。”为探测暗物质这一宇宙中的神秘存在,全球多个科研团队已投入大量资源,利用多种设备开展探索。

  11月30日,中科院紫金山天文台举行暗物质粒子探测卫星首批重大成果科学报告会,在太空中“侦查”了近2年的“悟空”为我们带来了怎样的成果?是否能够揭开暗物质的神秘面纱?

  找到了暗物质的踪迹

  历经近530天的持续观测,中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空号”捕获了惊喜。

  两年来,悟空号卫星在轨运行共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员成功获取了目前国际上精度最高的高能电子宇宙射线能谱,这将对判定能量低于1TeV(1TeV=1万亿电子伏特)的电子宇宙射线是否来自暗物质起到关键作用,并有可能为暗物质的存在提供新证据。该成果于2017年10月6日被Nature杂志正式接收,并在2017年11月30日在线发表。

  “我们在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段,‘定位’了一束明显异于常态的电子宇宙射线。”报告会上,“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进表示,正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线,但根据“悟空”的观测数据,在一处突然出现了一处剧烈波动,划出一个“尖峰”,意味着此处必有“古怪”。

  根据理论模型,暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等等宇宙射线,一旦找到特定的高能宇宙射线,就有望推断出暗物质的“庐山真面目”。而悟空号的核心使命就是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。悟空号在1.4 TeV处发现了能谱精细结构的初步证据,预示着宇宙空间中存在着“质量为1.4 TeV左右的新物理粒子”或者某种奇特的天体可以加速出单一能量的高能电子。

  悟空号寻找暗物质主要采用了紫金山天文台研究人员自主提出的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。尽管成本相对低(国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪AMS-02、费米卫星分别耗资20亿、7亿美金),悟空号在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱信号。

  同时,这也是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进表示,如果进一步研究确认与暗物质相关,人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。

  “即便无法证明是暗物质的踪迹,‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口。”常进说。当前,“悟空号”正在持续收集数据,一旦该精细结构最后得以确证,这将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

  如何捕捉看不见的“妖”

  “据估计,在宇宙中,平均1立方米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,然而,要探测到它们并不容易。”中科院紫金山天文台副研究员冯磊告诉记者,暗物质不带电荷,也没有电磁相互作用,能毫无阻碍地穿透障碍物,不着痕迹地从身边飞走。为了找到它们的“真身”,科学家费尽了脑筋。

  国际上,已经在暗物质探测方面耗资数百亿美元。探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子,在地下直接探测暗物质粒子,和在天上间接探测暗物质粒子。

  常进介绍,“悟空”就属于空间间接探测暗物质粒子,主要是到空间去探测暗物质的物理性质,弄清楚它的物理本质。“暗物质本身不可见,但暗物质湮灭或者衰变了的时候会产生看得见的粒子,通过探测卫星探测看得见的粒子,可以探测看不见的暗物质粒子,叫间接探测法。”

  据中科院紫金山天文台研究员、悟空号研究组成员范一中介绍,超新星爆发等剧烈的天体物理过程会形成高能电子。这些电子在宇宙中穿梭、互相碰撞、交换能量,形成了电子宇宙线背景。科学家将宇宙中这些电子的数量随能量的变化画成一张图,并将其称作能谱。根据对宇宙线加速机制的理论计算,可以得到一条由常规宇宙射线源产生的背景曲线。这条曲线较为平滑,在较低能部分电子数量较多,随着能量的升高,电子数量快速减少。而悟空号希望探测到的,则是叠加在这条曲线之上的“额外”宇宙射线粒子,这些粒子正是来自暗物质湮灭。因此,“在图谱中,看高能段会不会掉下来就非常关键。而看到它掉下来,就是我们梦寐以求的事情。”范一中表示。

  其实,之前已经有空间探测器找到了疑似暗物质的蛛丝马迹。比如AMS-02和Fermi-LAT都发现,宇宙中特定能量段的电子会有所增多。表现在能谱上,则是宇宙线能谱曲线不再单调下降,而是叠加了一个“鼓包”。不过遗憾的是,它们只测量到了这个小“鼓包”的上升部分,也就是怎么鼓起来的部分,没有测量到这个“鼓包”是怎样下降的。

  而在寻找暗物质的征途中,悟空号不负众望。它不仅探测到与AMS-02和Fermi-LAT类似的能谱上升过程,还清楚地看到电子宇宙射线能谱在1TeV(1万亿电子伏特)处开始下降,也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整个过程。

  离暗物质粒子的本质又近了一步

  很多人并不理解,获取这些数据又有什么用呢?好像并没有直接就证明找到了暗物质啊,冯磊告诉记者,“这对于理解这些特殊电子的起源非常重要。”因为科学家构建了多种模型来描述暗物质的行为。这些模型预言了科学家观测到的宇宙线能谱“鼓包”:相似的能谱上升过程、各异的能谱下降过程。换句话说,只有精确探测到“鼓包”的下降过程,才能确定是哪个模型更加接近暗物质粒子的本质。

  常进表示,“悟空”是世界上第一次在空间观测TeV上的波段,这就相当于打开了宇宙观测的新窗口,因为不同的波段反映了不同的物理构成。打个比方,你用普通相机拍出来的照片,是一个样子;你到医院照X光,看到的是另外一幅图像;用微波照,又是另外一幅图像。不同的图像反映了不同的物理构成,都是你,但反映了你不同的情况,所以,打开了新的观测窗口以后,我们能够看到新的物理现象。

  科学家接下来要做的,便是根据“鼓包”的下降过程,分析其物理本质到底是什么。此外,悟空号的观测还发现,能量为1.4 TeV的宇宙线粒子会突然增多。这暗示着在该能量附近可能存在新物理。比如宇宙中可能存在着质量为1.4TeV左右的暗物质粒子或者某种奇特的天体可以加速出单一能量的高能电子。

  “我们的数据量到现在还不足以百分之百肯定我们发现了什么东西,但好消息是悟空号在天上工作几乎完美,与发射时一样保持完美的工作状态,还在继续收集数据,我们希望通过后面的数据,能够弄清楚在TeV能段这些新奇的现象究竟是怎么回事。”常进表示,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。