當我們仰望星空,其實只看到了宇宙的冰山一角,宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏的。暗物質是什麼?暗物質,披着隱身衣的“宇宙幽靈”,科學家僅知道它們存在,卻無法探測到它們。17日,中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”在酒泉衛星發射基地成功發射,它的使命就是用“火眼金睛”去尋找暗物質粒子存在的證據。
“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡。”暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說,“它有望深刻地變革人類的宇宙觀,實現空間科學重大突破。”
爲什麼要尋找暗物質?
對常進來說,暗物質就像一個從未謀面的朋友,既親切又陌生。
“宇宙中,我們能看見的物質,都因爲帶有電子而能‘發光’,我們能觸碰一張桌子、一面牆,感覺到它們的存在,是因爲有電磁場的相互作用。而暗物 質是不帶電荷的,也沒有電磁場的相互作用,能像幽靈一樣穿透阻礙物,不着痕跡地從身邊飛走。”常進說,“因此儘管我們周圍存在暗物質,例如平均1立方厘米 的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子,但我們並不能看到或感覺到。”
科學家們認爲,暗物質是宇宙大爆炸的產物,在宇宙演化中起着決定性作用,也決定着宇宙未來的命運。同時,暗物質和暗能量的研究在基礎物理學中也有着重要意義,因爲科學界公認的粒子物理標準模型僅能解釋佔宇宙4.9%的普通物質,卻無法解釋暗物質和暗能量。
因此,暗物質和暗能量被認爲是籠罩在21世紀物理學上的兩朵“烏雲”。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題,“什麼是暗物質”被列在第一位。
科學界公認,揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後的又一次重大飛躍,將帶來物理學的又一次革命。
中科院國家空間科學中心主任吳季說,暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最爲激烈的研究領域,全世界的科學家都在不遺餘力地尋找暗物質、暗 能量及其隱藏的巨大科學寶藏。“可到目前爲止,人們找到的還都只是一些疑似證據。”吳季說,“人類還沒有找到它,也不知道其質量、性質,不能用物理學標準 模型去解釋。”
暗物質距離人類生活如此遙遠,爲什麼還要花這麼多時間、精力和成本去尋找?科學家們回答,這一方面源自人類對於未知的好奇心和求知慾,另一方面,科學研究的價值和意義雖然有時在短期內無法顯現,但往往能帶來一些“副產品”,給科技和生活帶來變革。
怎樣尋找“宇宙幽靈”?
目前,國際上對暗物質探測方式主要分爲3類。第一類是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質粒子“創造”出來,如歐洲核子中心的大型強子對撞 機;第二類是在地下進行的直接探測,各國有不少這樣的實驗項目,其中我國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質實驗室;第三類是在太空進行間接 探測。
我國暗物質粒子探測衛星屬於第三種方法。這種方法怎樣尋找暗物質?常進解釋說,世界上的物質都有反物質,當一個物質遇到一個反物質的時候,兩者 都會被摧毀,由此產生巨大的能量。但是暗物質非常獨特,它的反物質就是本身,如果暗物質粒子和自身的反物質粒子發生碰撞,產生的能量將更大。
“假如能夠監測到暗物質粒子碰撞後產生的高能粒子,如伽馬射線、正電子、反質子、中微子等,並能夠精確測量這些粒子的能譜,就能間接證明暗物質的存在。”常進說。
採用同樣方法的還有諾貝爾獎獲得者丁肇中研製並放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號(AMS02)以及日本今年發射的量能器電子望遠鏡等。其中AMS02已經觀測到一些異常,但因爲觀測能段的限制,數據也比較少,還無法下結論。
“我國的暗物質衛星是迄今爲止觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器,超過國際上所有同類探測器。”衛星科學應用系統總設計師伍健說, 其能段是阿爾法磁譜儀的10倍,涵蓋了電子能譜和光子能譜發生異常的地方;其能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。“宇宙空間是人類最後的實驗室,宇宙 射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上。”常進說,“我國暗物質衛星提出的觀測對象和觀測能區都是到目前爲止國際上的第一次。”
“悟空”怎樣施展“神通”?
常進介紹,衛星有效載荷初樣件在歐洲核子中心(CERN)進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標,表明它具有能量分辨率高、測量能量範圍大和本底抑制能力強3大優勢。
衛星系統總設計師李華旺介紹,衛星由4個科學探測有效載荷組成,分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器,共同構成一個 高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起,就像一個四層“大蛋糕”,它們各司其職,又聯合執行任務,可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能 量和電荷。
進入太空後,“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將採取兩種觀測模式:在頭兩年採用巡天觀測模式,由於暗物質可能存在於全天區的任何 區域,所以第一階段對全天掃描;兩年後衛星轉入定向觀測模式,根據全天區探測的結果分析出暗物質最可能出現的區域,並針對這些區域開展定向觀測。
衛星每天將傳回約16G數據量,地面100餘人的科學家團隊將對數據展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年後發佈。
國際上很多團隊在尋找暗物質,但迄今還從未探測到暗物質的明確信號。常進坦言,暗物質的基本物理性質還沒有弄清楚,沒有人能百分之百保證找到暗 物質。“但只要衛星工作正常,就爲我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口,必然會發現很多新奇的現象。”常進說,尋找暗物質需要全世界科學家共同努力。
暗物質:尚未被找到的“宇宙主角”
暗物質有多火?就連熱門美劇《生活大爆炸》裏的主角“謝耳朵”都轉行研究暗物質了。暗物質是怎麼被發現的?20世紀30年代初,美國加州理工學 院的天體物理學家茲威基第一個發現,宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片,如果不是存在一種神祕而不可見的物質,星系早就分崩離析。科學家把這種看不 見的神祕物質稱爲“暗物質”。到了20世紀70年代,多種天文觀測,比如盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測、引力透鏡等都顯示了暗物質的存在。但直到現 在還沒有確定的暗物質信號被探測到。
雖然科學家們還不知道暗物質究竟由什麼構成,但通過觀測它如何影響普通物質,並模擬它的引力效應,還是對它有了一些瞭解:
——宇宙中95%以上是暗物質和暗能量,暗物質佔26.8%。暗物質無法用任何光學或電磁觀測設備直接“看”到。
——暗物質難以探測,還在於它密度小、速度快,難以捕捉。科學家測算,暗物質粒子每秒的運動速度爲220千米,是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。
——暗物質應該來自於宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻,宇宙溫度非常高,粒子能量非常強,它們劇烈碰撞,在這種相互作用下,包括暗物質在內的各種各樣的物質由此產生。
——宇宙的結構與暗物質有關。由於暗物質和它自己以及其他物質不發生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結構的首要物質類型。暗物質播下了宇宙絲狀結構的種子,隨後可見物質才聚集在一些由暗物質建立起來的引力點上,並最終形成了星系。
——暗物質對生命來說是絕不可少的。假如沒有暗物質的引力作用,我們所在的銀河系將永遠無法在宇宙大爆炸後的膨脹過程中坍縮形成。那樣的話,現在既沒有太陽,也沒有地球,更沒有你我……
