暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星示意圖

　　紫金山天文臺(tái)供圖

　　大西北網(wǎng)訊   在天文學(xué)界和物理學(xué)界，有一個(gè)被科學(xué)家稱為世紀(jì)之謎的問題待解，這便是暗物質(zhì)。

　　為了探究這個(gè)奧秘，找到暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，2011年，中國科學(xué)院正式將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星列入中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)空間科學(xué)項(xiàng)目，并作為我國科學(xué)衛(wèi)星系列的首發(fā)衛(wèi)星。經(jīng)過4年多的籌備，衛(wèi)星已經(jīng)完成研制并整體交付。今年年底，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星將在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地?fù)駲C(jī)發(fā)射。9月29日，探測衛(wèi)星的牽頭研制單位——中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)在南京舉行了衛(wèi)星全球征名活動(dòng)的啟動(dòng)儀式。

　　暗物質(zhì)是什么

　　不帶電荷也沒有電磁場相互作用，像幽靈一樣能穿透阻礙物

　　“千萬別相信你的眼睛，有些東西不是用眼睛就可以看到的，比如說暗物質(zhì)。”談到這個(gè)話題，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)研究員常進(jìn)就像在說一個(gè)從未謀面的朋友，既親切又陌生。

　　暗物質(zhì)是什么？“宇宙中，我們能看見的物質(zhì)，都因?yàn)閹в须娮佣?lsquo;發(fā)光’，而我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因?yàn)橛须姶艌龅南嗷プ饔谩Ｅc此不同，暗物質(zhì)是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。因此盡管我們周圍存在暗物質(zhì)，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子，但并不能為我們所看到或感覺到。” 常進(jìn)說。

　　那么我們判斷其存在的根據(jù)是什么？

　　暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星項(xiàng)目組成員、紫金山天文臺(tái)助理研究員馮磊介紹，支持暗物質(zhì)假說主要的觀測證據(jù)之一是旋轉(zhuǎn)曲線。行星圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)，其速度由這兩者吸引力的大小決定，而吸引力的大小又取決于兩者的質(zhì)量。在研究漩渦星系時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其吸引力所需要的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們所能觀測到的物質(zhì)總量，否則行星就會(huì)沖破引力的束縛飛向茫茫宇宙，因此進(jìn)一步推斷，在人類已知的物質(zhì)之外，還有另外一種物質(zhì)存在。

　　此外，引力透鏡的一些發(fā)現(xiàn)也支持著暗物質(zhì)假說的成立。和光線通過玻璃透鏡會(huì)偏轉(zhuǎn)一樣，宇宙線在通過大質(zhì)量的物質(zhì)周圍時(shí)也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。科學(xué)家們在研究子彈頭星系團(tuán)時(shí)發(fā)現(xiàn)，主要導(dǎo)致光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)的地方并沒有看得見的物質(zhì)存在，這說明，有一種我們所看不到的暗物質(zhì)存在。此外，對(duì)暗物質(zhì)的假設(shè)還立足于對(duì)宇宙微波背景以及Ia型超新星的觀測等。

　　用什么方式找

　　目前主要通過散射實(shí)驗(yàn)、湮滅實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)這三種方式

　　尋找暗物質(zhì)的過程對(duì)科學(xué)家們來說，就像是和幽靈捉迷藏。到底怎樣才能找到暗物質(zhì)呢？

　　常進(jìn)介紹，目前世界范圍內(nèi)大致有三種方法來對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行捕獲。第一種是基于暗物質(zhì)能與普通物質(zhì)產(chǎn)生互相作用的假設(shè)。簡單地說，研究過程就是將一個(gè)靜止的靶子設(shè)置好，如果暗物質(zhì)打進(jìn)來，帶電原子核就會(huì)飛出去，科學(xué)家也將能捕獲其信號(hào)。目前，各國有不少這樣的散射實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中我國四川錦屏的地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)領(lǐng)域，歐洲的DAMA實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)曾聲稱已經(jīng)觀測到暗物質(zhì)，但包括美國LUS團(tuán)隊(duì)和四川錦屏團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的其他探索，均未證實(shí)此發(fā)現(xiàn)。

　　散射實(shí)驗(yàn)如此之難，于是產(chǎn)生了第二種方法，觀測暗物質(zhì)衰變或湮滅后產(chǎn)生的可見粒子。這種方法是基于暗物質(zhì)自身會(huì)湮滅產(chǎn)生可見物質(zhì)的假設(shè)。常進(jìn)介紹，世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì)，當(dāng)一個(gè)物質(zhì)遇到一個(gè)反物質(zhì)的時(shí)候，兩者都會(huì)被摧毀，由此產(chǎn)生巨大的能量。但是暗物質(zhì)非常獨(dú)特，它的反物質(zhì)就是本身，如果暗物質(zhì)粒子和自身的反物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，那么所產(chǎn)生的能量將更大。假如能夠監(jiān)測到暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的是高能電子，其流量遠(yuǎn)高于正常值，通過這種湮滅實(shí)驗(yàn)間接證明了有暗物質(zhì)的產(chǎn)生。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中研制并放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號(hào)、上個(gè)月日本發(fā)射的量能器電子望遠(yuǎn)鏡，以及我國即將發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星等，都是基于對(duì)宇宙線的探測而尋找暗物質(zhì)的間接嘗試。

　　還有一種尋找暗物質(zhì)的方法，是基于可見物質(zhì)相互作用能產(chǎn)生暗物質(zhì)的假設(shè)，用大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)探測，兩束高能粒子對(duì)撞產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，也就是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)。例如在歐洲核子中心，就有此方面的研究，但目前尚未發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)。

　　衛(wèi)星如何找

　　通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子

　　為了進(jìn)一步尋找暗物質(zhì)，2011年，中科院紫金山天文臺(tái)自主提出暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星計(jì)劃。2015年底，首顆探測衛(wèi)星將被放入外太空尋找暗物質(zhì)。

　　這與以往的探測手段相比有什么優(yōu)勢？

　　“在地球表面，宇宙線經(jīng)過大氣層時(shí)被屏蔽了，這阻礙了觀測。所以我們需要‘上天’或者‘入地’，以減少屏蔽干擾。”暗物質(zhì)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師伍健介紹，和此前的探索手段相比，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星能探測的粒子的最大能量大約是阿爾法磁譜儀2號(hào)的10倍；同時(shí)，能量分辨率更高，比NASA費(fèi)米衛(wèi)星的準(zhǔn)確率提升了10倍，并能觀測阿爾法磁譜儀2號(hào)所無法觀測的光子；此外，還提高了電子與質(zhì)子相互區(qū)別的能力，將對(duì)兩者的誤判下降到幾十萬分之一。

　　值得一提的是，在以往的探測手段中，熱氣球雖然造價(jià)低，但運(yùn)行不太穩(wěn)定；阿爾法磁譜儀2號(hào)雖然能夠長時(shí)間觀測，但耗資高，造價(jià)大約是20億美元。我們這顆衛(wèi)星的造價(jià)約為7億元，相比之下耗資少，重量輕，被寄予厚望。

　　常進(jìn)介紹，衛(wèi)星的主要任務(wù)是通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子。該衛(wèi)星的有效載荷屬于大型空間高能設(shè)備，由塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器四層科學(xué)探測器組成，包含近8萬路電子學(xué)信號(hào)通道，是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子空間探測器。

　　“它在發(fā)射升空后，將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，四層科學(xué)探測器將面朝太空，全面接收來自宇宙的高能電子和伽馬射線。這相當(dāng)于在宇宙中放置了一臺(tái)除去大氣層面紗的‘超高清望遠(yuǎn)鏡’，所有收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)將完整保存，并實(shí)時(shí)傳回地面。目前，衛(wèi)星在通過驗(yàn)收，并且在歐洲等地反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，已整體交付給衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)。”常進(jìn)說。

　　暗物質(zhì)距離人類生活如此遙遠(yuǎn)，科學(xué)家為什么愿意花這么多時(shí)間、精力和成本去尋找？

　　“這一方面源自人類對(duì)于未知的好奇心和求知欲，另一方面，科學(xué)研究的價(jià)值和意義雖然有時(shí)在短期內(nèi)無法顯現(xiàn)，但卻往往能帶來一些效果顯著的‘副產(chǎn)品’，給科技和生活帶來變革。”伍健說。例如在這顆衛(wèi)星的研制過程中，曾需要一種BGO晶體，但此前世界范圍內(nèi)最長的該類晶體只有30厘米，科學(xué)家們?yōu)榇烁铝思夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)晶體60厘米的突破，并將其應(yīng)用在工業(yè)和國防領(lǐng)域。

　　發(fā)射升空后，除了尋找和研究暗物質(zhì)粒子，這顆衛(wèi)星還將致力于研究宇宙線起源和伽馬射線等，推動(dòng)我國空間科學(xué)發(fā)展。