“悟空”发现疑似暗物质踪迹 中国探问宇宙之谜迈出重要一步

暗物质，一个人类追寻多年的宇宙魅影，最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。

国际权威学术期刊《自然》于北京时间11月30日在线发布，暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测，意味着中国科学家取得了一项开创性发现。

“‘悟空\’的最新发现，是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说，如果后续研究证实这一发现与暗物质相关，将是一项具有划时代意义的科学成果，即便与暗物质无关，也可能带来对现有科学理论的突破。

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打开“新窗口”：疑似暗物质踪迹初现？

经过两年持续观测，“悟空”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。

“之前没有人发现过。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进解释，正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线，但根据“悟空”观测数据，这里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”。

“现有的物理模型无法解释‘悟空\’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。

新发现是否就是科学家苦苦追寻的暗物质踪迹？中科院理论物理研究所所长吴岳良说，根据现有数据和理论模型无法做出断定，但这是“暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据”。

暗物质是什么？发现暗物质的意义究竟有多重大？

当前主流科学界认为，人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5％，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测，与物质相互作用也很弱，人类至今对它知之甚少。

暗物质的“真相”因此位列21世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜，被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

面对诱人前景，科学家在全球展开竞争，试图第一个找到暗物质的踪迹。天上，把强磁场设备送进太空；地下，深入几千米的大山建造实验室……科学家使出浑身解数，用上了多种探测手段，国际上的相关实验和设备多达数十个。

“‘悟空\’用的是探测高能宇宙射线的方式，寻找暗物质粒子湮灭的间接证据。”常进说，根据理论模型，暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等宇宙射线，一旦找到特定的高能宇宙射线，有望推断出暗物质的“庐山真面目”。

“悟空”得出数据后，研究人员为了排除分析方法可能产生的干扰，将初始数据分别交由4个中外团队独立分析计算，最后得出一致结论：在1．4TeV处确实出现了异常现象。

这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说，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。

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宇宙捞“针”：好比千万人口城市找一人

《自然》期刊中国区科学总监印格致（EdGerstner）对常进的话深以为然。“科学就是在一个接一个的‘可能\’中不断接近真理，”他说，“对科学家来说，发现异常未知的那一刻最兴奋。”

不过，寻找“异常”与“可能”绝非易事。自2015年底发射升空，“悟空”探测了35亿多个高能宇宙射线，从中总共搜寻出100多个异常电子，难度不亚于大海捞针。

“天上的辐射背景太复杂，需要做出区分。”“悟空”科学应用系统总设计师伍健说，与国际同类探测设备相比，“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类宇宙射线的本领”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中产生的一些非常尖锐的信号。

“就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人，既要快，又要准。”常进说。

目前国际上知名的相关研究项目有美国费米卫星，日本量能器型电子望远镜，以及著名物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪等。“悟空”科学应用系统副总师范一中说，相比同类设备，“悟空”显著提高了电子能量观测的上限，得到的电子样本“纯净”程度也最高，这是中国科研人员自主提出的新探测技术，实现了对高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。

中国香港大学物理系副教授苏萌说，关键性的“拐折”由“悟空”首次测量出来，说明中国的暗物质卫星测量水平具有非常独到的优势。

“悟空”研究团队也坦承，目前数据统计量还不够，存在一定的统计误差。“我们是‘靠天吃饭\’，天上有多少宇宙射线，我们才能测到多少事例。”常进说，要降低统计误差，唯一办法是积累大量数据，这需要更多时间。

好消息是，“悟空”在轨运行状况很好，预计卫星在天工作时间会大大超过设计寿命。“悟空”研究团队透露，今后两三年是卫星数据分析的关键时期，收集到目标事例越来越多，绘制的能谱越来越精确，还将有系列重大成果发布。

知道多点

“悟空”是怎样的神器？

“悟空”仅有一张书桌大小，而它的“火眼金睛”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间暗物质探测器，可以以很高的能量分辨率测量高达10TeV（相当于普通日光灯发出的能量的5万亿倍）的粒子。

常进介绍，由于寻找暗物质需要各方面信息，暗物质卫星包含塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器四个子科学载荷，能测量高能粒子的能量、方向和电荷，并可以准确鉴别不同粒子。对于多个物理量，“悟空”都有两种独立的测量方法，测量精度高。

“悟空”没有携带金箍棒，却带了300多根“水晶棒”。

暗物质卫星系统副总设计师安琪说，位于卫星核心部位的BGO量能器包含了300多根纵横交错排列的晶体，每一根都有2厘米见方、60厘米长，是世界上最长的BGO晶体。这些“水晶棒”能够测量入射粒子的能量，并且由于电子和质子与晶体发生相互作用，产生类似淋浴喷水形状的簇射。科学家可以根据簇射形状区分质子和电子。这种方法使“悟空”得以实现卓越的鉴别粒子本领，可以从5万个质子中识别出1个电子。

(均据新华社)

▲在地处四川南部地底2400米的中国锦屏地下实验室，PandaX实验组的研究人员对设备进行维护（2016年6月28日摄）

?“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进在中国科学院发布暗物质粒子探测卫星首批科学成果（11月27日摄）

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