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《自然》:人类暗物质粒子探测卫星“看见”了暗物质的幽灵!
《自然》:人类暗物质粒子探测卫星“看见”了暗物质的幽灵!
11/30/2017 1:06:10 AM | 浏览:202 | 评论:0

 

《自然》:人类暗物质粒子探测卫星“看见”了暗物质的幽灵!

“悟空”在《自然》杂志上公布了首批科学成果。图片来源:新华社贺萌绘制

有一个幽灵始终萦绕在我们身边,留下许多蛛丝马迹证明它确实存在,却从没有人看见或者摸到它的真身。如今,“悟空”睁开了火眼金晴,从纷繁复杂的乱象中抓住了一条关键线索,或许能够帮助我们认清这个幽灵的真面目。甚至,“悟空”还隐隐看到了这个幽灵留下的半个身影。

这不是《西游记》故事新编,而是今天凌晨悟空号合作组在《自然》杂志上公布的首批科学成果。故事里的“悟空”,全名是暗物质粒子探测卫星,隶属于中国科学院,自2015年12月17日发射升空以来,就一直在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上采集着数据。今天凌晨公布的,是这颗卫星在运行的头530天里获得的首批数据。

《自然》:人类暗物质粒子探测卫星“看见”了暗物质的幽灵!

在太空中运行的暗物质粒子探测卫星。图片来源:中国科学院

暗物质幽灵

“悟空”千方百计想要认清真相的那个幽灵,就是大名鼎鼎的“暗物质”。

顾名思义,暗物质指的是看不见的物质。不是因为没有光照亮它们,而是因为光照不亮它们。

我们之所以能够看到这个世界,看到身边的桌椅板凳,看到遥远的日月星辰,是因为这些东西,或者说这些物质,在最根本的层面上,能够跟光互动——它们能够被光照亮,或者能够发出光亮。

暗物质则不同,它们和光形同陌路,互不理睬。用严谨的科学术语来说,暗物质不参与电磁相互作用,而光,我们知道,是一种电磁波。因此,暗物质不反光,不发光,也不遮挡任何光线。

与暗物质形同陌路的,不只有光,还有普通物质。分子和原子是普通物质构成的基石,这些基石能够组装在一起,本质上是它们之间的电磁力在发挥作用。也正是通过这样的电磁作用,我们才能够触摸到这个大千世界。而暗物质,对这样的电磁作用,根本就不屑一顾。

于是,对于由普通物质构成的我们来说,暗物质不只看不见,连摸都摸不着,就像一个幽灵,来自于完全不同的另一个时空。

既然看不见也摸不着,科学家凭什么认定这个幽灵的存在千真万确,甚至不惜派“悟空”闯入天庭去探查它的真面目呢?

因为万有引力。

《自然》:人类暗物质粒子探测卫星“看见”了暗物质的幽灵!

牛顿未必被苹果砸过脑袋,但万有引力却是实实在在的。

额外引力

传说中,砸在牛顿脑袋上的苹果让他悟出一个真谛——使苹果从树上掉落的力量,同样牵引着日月星辰在天空中依序运转。

任何东西,只要拥有质量,彼此间就存在一种羁绊,使它们相互吸引。这种羁绊称为引力,是宇宙中唯一能够远距离影响天体运行的力量。天体在宇宙中如何运行取决于它受到了多少引力,而所受引力又能反映出有多少物质蕴藏在它的周围。

举个例子,天王星被发现不久,就有人发觉,跟理论推算的轨道相比,它的位置总是出现偏差。就算考虑了当时已知的所有天体对它施加的吸引,也仍然有额外的引力在偷偷干扰它的运行。有人据此推断,太阳系里必定存在一颗当时还未知的行星,在特定的位置上施加了额外的引力。果然,没过多久,海王星就在预测位置上被发现了。万有引力定律因此深入人心。

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在我们的宇宙里,暗物质的数量比普通物质多得多,然而我们对暗物质的本质一无所知。图片来源:American Museum of Natural History

然而,自上世纪30年代以来,在规模远大于太阳系的宇宙尺度上,天文学家发现有越来越多的天体运行规律,就算把所有看得见的物质全都算上,也仍然需要有额外的引力才解释得通。

在银河系级别的旋涡星系里,千亿颗恒星绕着星系中心快速运转。这些恒星速度之快,要是没有额外的引力,它们会被甩到星系以外,令整个星系分崩离析。

在规模更大的星系团中,星系间弥漫着能够辐射出X射线的高温气体。这些气体温度之高,要是没有额外的引力,它们早该消散在宇宙空间而成不了形了。

甚至,在宇宙演化早期,要是没有额外引力的参与,普通物质也不会如此快速地聚集成团,形成如今我们看到的宇宙大尺度结构。

天王星受到的额外引力,让天文学家推断出了尚未发现的海王星。同样,整个星系、星系团,甚至整个宇宙受到的额外引力,让天文学家相信,宇宙中必定存在某种未知的物质,数量比普通物质更多,能够产生足够的额外引力。

由于看不见也摸不着,天文学家把这种未知的物质称为暗物质。

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如果没有额外的引力,旋涡星系里的恒星会被甩到星系以外,令整个星系分崩离析。图片来源:astro.wsu.edu

露出马脚

跟当年很快就被人找到的海王星不同,暗物质提出几十年来,对于它到底是什么,我们仍然一无所知。

理论学家推测,就像普通物质由一系列基本粒子构成一样,暗物质可能也由一大类粒子构成。虽然这些粒子看不见也摸不着,但某些理论预言,在一些特殊情况下,这些隐身的粒子可能会露出马脚。比如,当两个暗物质粒子狭路相逢时,它们可能会相互湮灭,产生出伽马射线和一系列并不隐身的高能粒子。

在地球大气层外,宇宙空间里充斥横冲直撞的高能粒子,称为宇宙线。这些粒子的来源始终成谜,或许大都来源于普通的高能天体物理过程,但也有可能,其中一部分来源于暗物质粒子的相互湮灭或者衰变。源于暗物质的高能粒子,特别是正负电子,或许会在电子宇宙线的总能谱上留下独特的印迹。这正是“悟空”的的首要科学目标。

“悟空”的火眼金睛,其实就是一台宇宙线望远镜,自上天以来,便持续不断地记录着来自宇宙的高能粒子。在运行的头530天里,“悟空”一共记录到28亿个高能粒子,从中分辨中150万个高能电子,测量了它们的能量和来源方位。从这些数据中,科学家试图找出暗物质粒子湮灭的关键证据。

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暗物质卫星结构图,从上到下依次是塑闪阵列探测器,硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。图片来源:dpnc.unige.ch

看见拐折

早在“悟空”上天之前,科学家就在宇宙线里的高能电子中察觉到了一些异常。比如丁肇中领导的阿尔法磁谱仪就发现,在粒子能量超出某个数值(10GeV)时,宇宙线里正负电子的比例大大超出理论模型的预期,似乎可以用暗物质粒子湮灭加以解释。

如果真是暗物质粒子湮灭,那么理论上来说,它所产生的高能电子就将存在一个能量上限,具体数值与暗物质粒子本身的质量有关。超过这个能量上限,高能电子的数目就将出现陡峭下跌,从而在宇宙线能谱中出现一个拐折。然而,不论是丁肇中的阿尔法磁谱仪,还是后来美国的费米空间望远镜,对高能电子都只能测量到最高1万亿电子伏特(1TeV),没有在能谱中发现任何拐折的迹象。

相比之下,“悟空”的火眼金晴对高能电子能量的测量,最高能达到10TeV,是阿尔法磁谱仪和费米望远镜能量上限的10倍,就此打开了1TeV以上高能电子宇宙线观测的新窗口

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“悟空”首次发布的高能电子宇宙线能谱(红色)。作为对比,绿色和蓝色分别是阿尔法磁谱仪和费米空间望远镜的数据。“悟空”打开了1TeV以上高能电子宇宙线观测的新窗口,首次直接观测到了电子能谱出现了拐折。图片来源:悟空号合作组

结果也不负众望。根据今天公布的首批数据,在“悟空”看到的高能电子能谱图上,预期中的拐折第一次确凿无疑地显现了出来。以0.9TeV的能量作为分界,左侧电子的数目变化相对平缓,右侧却要陡峭得多。

如果这一拐折真由暗物质粒子产生,理论上科学家甚至可以根据拐折的形状,推断出暗物质粒子的一些特性。比如它们并不是直接湮灭成正负电子对,而是先湮灭到正负μ子,再衰变到正负电子。

不过,直接观测到这一拐折,还称不上是暗物质粒子存在的确凿证据。毕竟,其他天体物理过程,比如脉冲星周围的高能现象,也有可能产生形状平缓的类似拐折。这一拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,对于判定能量低于1TeV的电子宇宙射线是否来自暗物质起到了关键性作用。

半个身影?

推开一扇新的窗口,除了看到预期中的美景之外,我们往往还会留意到一些意料之外的惊喜。“悟空”也是如此,除了拐折,似乎还隐隐看到了这个暗物质幽灵留下的半个身影。

在1TeV的能量之上,也就是在拐折的右边,高能电子的数目已经开始陡峭下跌。然而,就在1.4TeV处,高能电子的数目却多得异乎寻常,高高跳到了拟合曲线之上。似乎在附近很狭窄的能量范围之内,宇宙线中高能电子的数目出现了一个尖锐的峰值。

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“悟空”数据里这个离经叛道的奇异数据点,暗示了暗物质粒子可能存在的新证据。图片来源:悟空号合作组

如果这个异常数据是真实的,那必将是一个重大发现,因为能够发出高能电子形成如此尖峰信号的天体,必然极其特殊。首先,这个天体必须靠近地球,只能有大约几百光年,因为这么高能量的电子无法在宇宙中传播更远的距离。其次,它发出的高能电子能量必须要几乎完全一致,在地球上只有经过精细调节的大型加速器才能达到类似的水平。

甚至,有理论学家提出了新的暗物质粒子模型,让它们聚焦在地球附近,可能是自己成团,也可能是被某个中等质量原初黑洞吸引,通过碰撞湮灭来产生能量一致的高能正负电子,试图通过这种不可思议的模式来解释这个尖峰。

当然,现在就来解释这个尖峰,还有点为时过早。今天公布的首批数据,只是“悟空”在运行的头530天里采集到的。由于宇宙线里的高能粒子存在随机性,明显离经叛道的数据点也可能只是统计涨落,未必就是真实信号。好在,“悟空”健康状况良好,预计可以在太空继续服役3到5年,采集更多高能电子宇宙线的数据。或许只有到了那时,才能确切判断这个尖峰是否真实。

至于暗物质粒子被发现的捷报,或许还需要等待更长久的时间吧。

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