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首席科学家详解暗物质卫星“悟空”

2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉发射升空。

不同于以往我国发射的其他卫星,这是首颗专门用于基础科学研究的探测卫星。“悟空”的探测目标也不像“嫦娥”和“玉兔”那样清晰明了,它要寻找的是一种天文学家几乎肯定它存在,却没有人确切知道它是什么的东西——暗物质。

首席科学家详解暗物质卫星“悟空”

从上世纪30年代起,天文学家就从观测中陆续找到了一些证据,暗示宇宙中物质的质量远远大于所有可见物质的总和。比如,他们发现银河系里千千万万颗恒星的运动速度大于预期,如果没有更多的东西施加额外的引力,银河系本身就会被甩得分崩离析,根本不能凝聚成形。再比如,星系团之类的庞大天体能够弯曲星光,扭曲并放大背后更遥远星系的影像,通过这种引力透镜效应,天文学家发现星系团的质量远远超出其中发光物质的总和。于是,天文学家假设宇宙中存在一类看不见的物质,称它们为暗物质。结合现有的天文观测证据,天文学家普遍相信,宇宙中暗物质的质量大约是普通物质的5.5倍。

那么,暗物质到底是什么?这个问题,到现在为止都还没有确切答案。主流理论认为,暗物质可能由一大类粒子构成,它们被称为弱相互作用大质量粒子(WIMP)。

不同于构成我们身体及周边所有物品的基本粒子,这些暗物质粒子本身质量较大,却不参与任何电磁相互作用。不要小瞧这一“绝技”。归根到底,我们看得见、摸得着、尝得出、闻得到、听得清身边的其他东西,都是电磁相互作用在其中贡献力量的结果。所以,完全不参与电磁相互作用的WIMP粒子,就相当于是粒子世界中本领高超的隐身胖子,既看不见,也摸不着,更不要说用其他感观去感受它了。

对于这些擅长隐身的暗物质粒子,科学家有用什么办法来探测它们呢?

一种办法是主动创造这些粒子。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2,能量和质量是等价的,在一定条件下可以相互转换。如果把足够高的能量浓缩在极小的空间体积之内,就像科学家在大型强子对撞机里进行的粒子碰撞实验一样,这些能量就会转化为各式各样的粒子四散奔逃,被科学家设置在周边的各类探测器记录下来。如果能量足够高,理论上,这样的碰撞有可能产生出暗物质粒子——而暗物质粒子是隐身的,无法被周边的探测器记录到。于是,在科学家看来,这场粒子碰撞中就会有很大一部分能量不翼而飞。如果发生这样的能量失踪案,便可以为暗物质粒子的存在提供直接证据。

另一种办法是守株待兔。暗物质粒子可以说是无处不在,每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛。当然,由于它们隐身能力超强,我们对此毫无知觉。不过,根据理论,这些粒子仍会参与弱相互作用。这种力与电磁力不同,只能在原子核内部发挥作用。因此,尽管暗物质粒子是隐身的,并不意味着它们就可以横冲直撞而不受任何阻挡。就像是荒不择路的兔子一样,它们也有可能一头撞上原子核这个“树桩”。被暗物质粒子撞上的原子核会发光发热,或者被撞得偏离了原来的位置,这些光和热还有位置移动是科学家有可能探测到的。只可惜,原子核太小太小,暗物质粒子撞上去的几率低到几乎可以忽略。科学家只能采用一个笨办法,准备好一大片森林等兔子来撞。他们在巨大的探测器里装上大量反应物质,等待过路的暗物质粒子碰巧撞上其中某个原子核。当然,为了尽可能排除其他粒子撞上原子核而产生的干扰,科学家往往把这样的暗物质探测器深埋在地下,让厚厚的岩层把不会隐身的其他粒子尽可能屏蔽在外面。

第三种办法,那就是等这些隐身的粒子自行现身。某些理论预言,当两个暗物质粒子相遇时,它们会相互湮灭,产生出高能的伽马射线,或者产生出高能的正反粒子对。这就好像两个隐身人在相遇的一瞬间,突然脱去了隐身斗篷,不只变成两个普通人,甚至还发出了耀眼的光芒。不论是伽马射线,还是普通的反物质粒子,都是可以直接探测到的。如果科学家在暗物质集中的地方探测到了过量的伽马射线,或者在宇宙中探测到了来源不明的高能反物质粒子,它们就有可能来源于反物质粒子的湮灭,从而给反物质的存在提供间接的证据。不过,由于这些信号无法很好地穿透地球大气层,用这种方法来间接寻找暗物质的探测器,必须被发射到地球以外才能够发挥作用。

今天发射升空的“悟空”暗物质探测卫星,采用的便是这第三种办法,到太空中探测高能粒子和伽马射线,期望从中能够找到暗物质存在的证据,并推断出它们的某些性质。

即将发射之际,暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进在酒泉卫星发射基地接受新华社中国特稿社的专访,详细解答了如何到太空探测暗物质以及暗物质卫星的相关问题。

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