探索暗物质

探索暗物质

在天文学界和物理学界，有一个被科学家称为世纪之谜的问题待解，这便是暗物质。

为了探究这个奥秘，找到暗物质粒子存在的证据，2011年，中国科学院正式将暗物质粒子探测卫星列入中国科学院战略先导专项空间科学项目，并作为我国科学卫星系列的首发卫星。经过4年多的筹备，卫星已经完成研制并整体交付。今年年底，暗物质粒子探测卫星将在酒泉卫星发射基地择机发射。9月29日，探测卫星的牵头研制单位——中国科学院紫金山天文台在南京举行了卫星全球征名活动的启动仪式。

暗物质是什么

不带电荷也没有电磁场相互作用，像幽灵一样能穿透阻碍物

“千万别相信你的眼睛，有些东西不是用眼睛就可以看到的，比如说暗物质。”谈到这个话题，暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台研究员常进就像在说一个从未谋面的朋友，既亲切又陌生。

暗物质是什么？“宇宙中，我们能看见的物质，都因为带有电子而能‘发光’，而我们能触碰一张桌子、一面墙，感觉到它们的存在，是因为有电磁场的相互作用。与此不同，暗物质是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，能像幽灵一样穿透阻碍物，不着痕迹地从身边飞走。因此尽管我们周围存在暗物质，例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子，但并不能为我们所看到或感觉到。”常进说。

那么我们判断其存在的根据是什么？

暗物质粒子探测卫星项目组成员、紫金山天文台助理研究员冯磊介绍，支持暗物质假说主要的观测证据之一是旋转曲线。行星围绕着恒星旋转，其速度由这两者吸引力的大小决定，而吸引力的大小又取决于两者的质量。在研究漩涡星系时，科学家发现，其吸引力所需要的质量远远超出我们所能观测到的物质总量，否则行星就会冲破引力的束缚飞向茫茫宇宙，因此进一步推断，在人类已知的物质之外，还有另外一种物质存在。

此外，引力透镜的一些发现也支持着暗物质假说的成立。和光线通过玻璃透镜会偏转一样，宇宙线在通过大质量的物质周围时也会发生偏转。科学家们在研究子弹头星系团时发现，主要导致光线发生偏转的地方并没有看得见的物质存在，这说明，有一种我们所看不到的暗物质存在。此外，对暗物质的假设还立足于对宇宙微波背景以及Ia型超新星的观测等。

用什么方式找

目前主要通过散射实验、湮灭实验以及产生实验这三种方式

寻找暗物质的过程对科学家们来说，就像是和幽灵捉迷藏。到底怎样才能找到暗物质呢？

常进介绍，目前世界范围内大致有三种方法来对暗物质进行捕获。第一种是基于暗物质能与普通物质产生互相作用的假设。简单地说，研究过程就是将一个静止的靶子设置好，如果暗物质打进来，带电原子核就会飞出去，科学家也将能捕获其信号。目前，各国有不少这样的散射实验项目，其中我国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室。在这个领域，欧洲的DAMA实验团队曾声称已经观测到暗物质，但包括美国LUS团队和四川锦屏团队在内的其他探索，均未证实此发现。

散射实验如此之难，于是产生了第二种方法，观测暗物质衰变或湮灭后产生的可见粒子。这种方法是基于暗物质自身会湮灭产生可见物质的假设。常进介绍，世界上的物质都有反物质，当一个物质遇到一个反物质的时候，两者都会被摧毁，由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特，它的反物质就是本身，如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞，那么所产生的能量将更大。假如能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的是高能电子，其流量远高于正常值，通过这种湮灭实验间接证明了有暗物质的产生。诺贝尔奖获得者丁肇中研制并放置在国际空间站的阿尔法磁谱仪2号、上个月日本发射的量能器电子望远镜，以及我国即将发射的暗物质粒子探测卫星等，都是基于对宇宙线的探测而寻找暗物质的间接尝试。

还有一种寻找暗物质的方法，是基于可见物质相互作用能产生暗物质的假设，用大型质子对撞机探测，两束高能粒子对撞产生暗物质粒子，也就是产生实验。例如在欧洲核子中心，就有此方面的研究，但目前尚未发现新的证据。

卫星如何找

通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子

为了进一步寻找暗物质，2011年，中科院紫金山天文台自主提出暗物质粒子探测卫星计划。2015年底，首颗探测卫星将被放入外太空寻找暗物质。

这与以往的探测手段相比有什么优势？

“在地球表面，宇宙线经过大气层时被屏蔽了，这阻碍了观测。所以我们需要‘上天’或者‘入地’，以减少屏蔽干扰。”暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健介绍，和此前的探索手段相比，暗物质粒子探测卫星能探测的粒子的最大能量大约是阿尔法磁谱仪2号的10倍；同时，能量分辨率更高，比NASA费米卫星的准确率提升了10倍，并能观测阿尔法磁谱仪2号所无法观测的光子；此外，还提高了电子与质子相互区别的能力，将对两者的误判下降到几十万分之一。

值得一提的是，在以往的探测手段中，热气球虽然造价低，但运行不太稳定；阿尔法磁谱仪2号虽然能够长时间观测，但耗资高，造价大约是20亿美元。我们这颗卫星的造价约为7亿元，相比之下耗资少，重量轻，被寄予厚望。

常进介绍，卫星的主要任务是通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。该卫星的有效载荷属于大型空间高能设备，由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器四层科学探测器组成，包含近8万路电子学信号通道，是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子空间探测器。

“它在发射升空后，将围绕地球旋转，四层科学探测器将面朝太空，全面接收来自宇宙的高能电子和伽马射线。这相当于在宇宙中放置了一台除去大气层面纱的‘超高清望远镜’，所有收集到的科学数据将完整保存，并实时传回地面。目前，卫星在通过验收，并且在欧洲等地反复实验后，已整体交付给卫星发射系统。”常进说。

暗物质距离人类生活如此遥远，科学家为什么愿意花这么多时间、精力和成本去寻找？

“这一方面源自人类对于未知的好奇心和求知欲，另一方面，科学研究的价值和意义虽然有时在短期内无法显现，但却往往能带来一些效果显著的‘副产品’，给科技和生活带来变革。”伍健说。例如在这颗卫星的研制过程中，曾需要一种BGO晶体，但此前世界范围内最长的该类晶体只有30厘米，科学家们为此更新了技术，实现晶体60厘米的突破，并将其应用在工业和国防领域。

发射升空后，除了寻找和研究暗物质粒子，这颗卫星还将致力于研究宇宙线起源和伽马射线等，推动我国空间科学发展。