北京时间30日,国际权威学术期刊《自然》在线发表了中国首颗暗物质探测卫星“悟空”的首批成果:发现太空中的反常电子信号。

“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说,电子宇宙射线的正常能谱变化应是一条平滑曲线。根据“悟空”积累的观测数据,科学家们发现在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段突然出现剧烈波动,反映在图上是一个“尖峰”。


常进说,这一波动此前从未被人类观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现。不过,根据现有探测数据量和理论模型,还无法断定这一现象是否就是暗物质踪迹。

当前主流观点认为,暗物质约占宇宙质量的27%,它不发射、吸收、散射光子,也不参与电磁作用,甚是“神秘”。暗物质粒子相互湮灭或自身衰变时可以产生一些稳定的可观测粒子,人们只能观测这些“蛛丝马迹”,反推暗物质的存在。

中国科学院院士吴岳良说,“悟空”首批成果中令人兴奋的是发现了100多个“奇异”电子,这些“奇异”电子信号的来源或是来自暗物质湮灭,或是来自超新星遗迹或脉冲星,“从目前来看,来自前者的可能性似乎更有说服力”。

中国科学院院长白春礼表示,近年不断涌现的科学成果表明,中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。

他说,“悟空”用中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术,实现了国际上最精确和最高效的探测。

常进表示,计划在2018年年底公布“悟空”的第二批科研成果。他们正在持续收集数据,确证那个“尖峰”的精细结构,力求在粒子物理或天体物理领域有开创性发现。

2015年12月17日成功发射,到2017年11月30日公布首批成果,中国首颗暗物质探测卫星“悟空”翱翔宇宙取“真经”。不知不觉间,“悟空”演绎了三部“大片”。

《捉妖记》:“火眼金睛”找到暗物质

“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说:“我们想通过‘悟空’的火眼金睛,找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’。”

“妖”,指的是看不见、摸不着的暗物质。主流科学界认为,人类已发现的物质占宇宙物质总量不足5%,剩余部分就是暗物质和暗能量。

由于暗物质无法被直接观测,与物质相互作用也比较弱,人类至今对其知之甚少。

近年来,全球多个团队通过不同类型的设备持续“捉妖”,比如地上有欧洲核子研究中心大型强子对撞机,天上有美国费米卫星。

虽为后起之秀,但“悟空”不仅更“经济适用”,其电子宇宙射线能量测量范围也有显著提高,还能够最大限度地过滤掉宇宙射线的“杂音”。

上天不到两年时间,“悟空”发现了100多个“奇异”电子。常进说,如果“悟空”接下来还能持续捕捉这些“奇异”的电子信号,达到科学发现要求的精度,““无论是不是暗物质,都将是一个重要的发现”。

《尖峰时刻》:从未被观测到的“尖峰”

在轨运行的前530天里,“悟空”共采集了约28亿颗高能宇宙射线。基于这些数据,科研人员获取了当前国际上精度最高的电子宇宙射线测量结果。

同样放在一张图上与美国费米卫星和阿尔法磁谱仪的测量结果作比较,人们不难发现,“悟空”探测的电子宇宙射线能量测量范围显著提高:它是首个在空间探测万亿电子伏特(TeV)以上波段的卫星。

常进团队由此有了前所未有的发现,他们直接观测到电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,以及在1.4TeV处的“尖峰”。

常进说,1.4TeV处存在能谱精细结构,即“精确地观测到了电子数量忽然上升随后又下降的尖锐变化”,但目前掌握的数据量还不足以对其进行确认。

中国科学院紫金山天文台研究员范一中说,电子能谱在高能谱段突然出现“拐折”,一定是有什么“源”影响了它。

如果能够证明影响它的“源”不是已知物质,“那就很有可能是暗物质了”。

《一代宗师》:对现有科学理论的突破

外界显然更关心“‘悟空’到底有没有找到暗物质”并不断追问。国际权威学术期刊《自然》中国区科学总监印格致(Ed Gerstner)回答:在前沿科学研究领域,科学家们直到多个方向的研究成果反复互证,才会最终宣布“是的!我们找到了!”

毫无疑问的是,“悟空”今日发来的这份“捷报”再度点燃公众对暗物质的热情。常进说,“悟空”在轨运行良好,探测器正常工作率平均达到99.5%,有望超过3年设计寿命,“为我们‘捉妖’5至10年”。

对于科学家们来说,还有一个问题是无法回避也难以言说:找到暗物质,到底将对人们的生活带来哪些影响?

“暗物质的作用我们现在无从得知,但是现在,寻找暗物质的工作每天都在影响着我和我的团队成员。”

常进举例说,人们现在广泛使用的万维网最初来自于粒子物理学家的构想,“所以也许100年后,人类子孙后代的日常生活都离不开对暗物质性质的发掘和利用”。

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