暗物质探测器“悟空”发现暗物质了吗？

1. 暗物质探测器“悟空”发现暗物质了吗？

北京时间2017年11月30日，《Nature》在线发表了中国科学家的重磅发现，中国的暗物质探测器“悟空”(DAMPE)号探测卫星在高能电子宇宙线能谱的1.4TeV处发现了明显的异常，这可能是科学家追踪了八十多年的暗物质所留下的迹象。


中国的暗物质探测卫星被命名为“悟空”
暗物质是何方神圣？“暗”的意思是人类看不到它，不仅用肉眼看不到，用各种波段的望远镜也不能直接观测到它，因为它不会和我们已知的物质发生电磁相互作用。上世纪30年代，天文学家发现恒星和星系的运动与万有引力的计算结果存在很大差距，为了解释这种现象，天文学家给出了暗物质的概念。在宇宙中存在我们看不到的暗物质，正是它的存在导致了星系的观测数据与理论差别巨大。70年代后，对大质量的星系进行观测后进一步发现，如果只考虑我们熟知的常规物质，星系间的引力不可能达到实际上的这么大。宇宙中存在暗物质的观点得到了普遍认同。
进一步的研究发现，人类可见的物质大约只占宇宙的5%，暗物质大约占27%，其余的是暗能量。100多年前物理学的“两朵乌云”直接导致了20世纪两座科学大厦相对论和量子力学的建立，而21世纪初科学界的最大谜团就是暗物质和暗能量。如若找到暗物质或暗能量就相当于发现了一个崭新的宇宙，这令无数聪明绝顶的物理学家竞相为之折腰。
暗物质不与物质发生电磁相互作用，怎样寻找它呢？最容易想到的就是用大型加速器。高能粒子在大型加速器里的碰撞可以模拟宇宙诞生的情景，科学家们希望能从碰撞中发现暗物质的踪迹。遗憾的是，在大型加速器上一直没有取得暗物质的可喜发现，就连粒子物理学家一直盼望的标准模型之外的粒子也未有发现。
另一种方法根据暗物质在宇宙中分布的不均匀，暗物质粒子与物质的原子核发生碰撞，可以通过光或电等信号将原子核的被撞击显示出来。地球转到不同的位置，因暗物质的分布不均匀，碰撞信号就会随季节有周期性的变化。中国在四川雅砻江的锦屏建有深度达2500米的世界最深实验室，厚厚的岩石和土壤可以有效降低宇宙射线的影响，可惜这个世界最深的地下暗物质实验室运行了几年也未发现暗物质的任何踪迹。
根据理论，暗物质粒子湮灭会产生正负电子对，可以扫描一下宇宙射线中的电子能谱图，看一看不同能量的电子在宇宙射线中的分布。如果在能谱图中发现了异常，或许那就是暗物质留下的踪迹。之前上天的阿尔法磁谱仪和费米卫星就期待用这种办法寻找宇宙中的暗物质，并且根据传回的数据已经发行了一些异常，只可惜它们能够观测的能量范围比较窄。
这次大显身手的“悟空”号用的也是这种方法，为什么中国的“悟空”带来了令人兴奋的数据？因为它有“火眼金睛”！它能探测的能量范围最广，这样可以在能谱图中绘制更大范围的图像；能量分辨率很高，细微的能量差别也能够分辨出来，这样可以更加容易的察觉出精细图谱中的突起；另外它的粒子分辨本领也非常强大。


红色系“悟空”给的能谱数据


首席科学家常进
根据理论推测，如果暗物质湮灭为正负电子对，在能谱图的1TeV附近，会有一个非常陡的突起。“悟空”号首次探测到1TeV附近的突起。更加意外的是，在1.4TeV处，还出现了一个明显的尖锐，虽然它还有待于更多观测的确认，但已是非常的明显。北京时间11月30日凌晨，《Nature》在线发表了中国科学家的研究，瞬间引起了刷屏。
1.4TeV处的突起超出现有的理论，一旦得到确认，这部分粒子的出现有可能为暗物质的存在提供新的证据，也有可能会导致人类尚未认识到的全新天体的发现。不管是哪种结果，都是重大的发现。1TeV附近的突起对于判断这部分电子是否来自暗物质能够起到关键作用。这样的发现，不仅是中国科学史上的大事，也是人类探测暗物质过程中具有里程碑意义的大事。
“悟空”的火眼金睛为人类探测暗物质提供了强大的推动力，也期待中国的科学家能够在科学的舞台上持续获得更强大的推动力。

2. 悟空探测到的信号是暗物质吗？

据报道，日前悟空在世界上首次从太空中对最高能段的电子宇宙射线开展直接观测，成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果，并发表在了最新一期《自然》杂志上。

报道称，相关负责人表示，我们不能说我们发现了暗物质，我们只能说在哪里发现了奇怪的现象，然后由理论物理学家去解释，低于1TeV的电子尤其是正电子大部分应该是来自天体物理现象，如果进一步测得更准，可能一些小结构与暗物质有关。

该负责人还表示，现在我们更关心1.4TeV的这个数据点，这个突起的点太怪了，我们从来没有想到过天上会有这个家伙，果这个信号被确认，那么意义重大。它也许意味着一种新粒子，就算不是新粒子，哪怕是天文现象也是从来没有人想到过的重大新发现。

分析人士称，它或许是暗物质，也可能是天体物理起源，比如中子星也可能产生很高能量的电子，能不能排除，需要进一步研究，需要对天体物理背景有更深刻的理解。

3. 暗物质悟空有什么发现

悟空公布的第二批科学成果是悟空在tev-100tev能区获得了精确的宇宙线质子谱，发现了新的谱结构。


研究结果当天发表在国际权威期刊Science Advances上。2015年12月，悟空带着火眼金睛成功升空，开始踏上了寻找暗物质的取经路。2017年，悟空宣布了首次发现：卫星获得了当时世界上最精确的高能电子宇宙线能谱，并直接测量了空间中电子宇宙线的异常涨落，可能与暗物质有关。

经过近四年的在轨飞行，悟空再次宣布了其在太空旅行方面的新成就。据悟空暗物质粒子探测卫星科学应用系统副设计师、中科院紫金山天文台研究员范一中介绍，悟空正式宣布对40gev宇宙射线质子进行精确的能谱测量。这是整个国际上首次通过空间实验精确测量到100tev以下宇宙线的质子谱。与国际空间站量热计电子望远镜的实验相比，测量的能段增加了10倍。

据介绍，悟空暗物质粒子探测卫星的核心科学目标之一是精确测量宇宙射线的质子和核素能谱，发现新的能谱结构。悟空的测量结果证实了质子谱在数百gev下的硬化行为。更重要的是，悟空首次发现质子能谱在14tev左右明显减弱。悟空科学合作组成员、中科院紫金山天文台研究员袁强认为，这一新结构很可能被附近个别宇宙射线源的烙印，这对揭示高能宇宙线的起源和加速机制具有重要意义。

4. 暗物质悟空号发现了什么

悟空公布的第二批科学成果是悟空在tev-100tev能区获得了精确的宇宙线质子谱，发现了新的谱结构。


研究结果当天发表在国际权威期刊Science Advances上。2015年12月，悟空带着火眼金睛成功升空，开始踏上了寻找暗物质的取经路。2017年，悟空宣布了首次发现：卫星获得了当时世界上最精确的高能电子宇宙线能谱，并直接测量了空间中电子宇宙线的异常涨落，可能与暗物质有关。

经过近四年的在轨飞行，悟空再次宣布了其在太空旅行方面的新成就。据悟空暗物质粒子探测卫星科学应用系统副设计师、中科院紫金山天文台研究员范一中介绍，悟空正式宣布对40gev宇宙射线质子进行精确的能谱测量。这是整个国际上首次通过空间实验精确测量到100tev以下宇宙线的质子谱。与国际空间站量热计电子望远镜的实验相比，测量的能段增加了10倍。

据介绍，悟空暗物质粒子探测卫星的核心科学目标之一是精确测量宇宙射线的质子和核素能谱，发现新的能谱结构。悟空的测量结果证实了质子谱在数百gev下的硬化行为。更重要的是，悟空首次发现质子能谱在14tev左右明显减弱。悟空科学合作组成员、中科院紫金山天文台研究员袁强认为，这一新结构很可能被附近个别宇宙射线源的烙印，这对揭示高能宇宙线的起源和加速机制具有重要意义。

5. “悟空”是如何发现暗物质的？

悟空发现的尚不能认为一定是暗物质。
暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说，悟空在世界上首次从太空中对最高能段的电子宇宙射线开展直接观测，成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果，首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在0.9TeV处的“拐折”，这对于科学家区分低于1TeV的电子宇宙射线是来自暗物质还是来自天体现象具有关键意义。
他说，悟空现有数据中最出乎科学家预料的迹象是：电子宇宙射线能谱在1.4 TeV处似乎存在一个“尖锐结构”，这可能预示着宇宙中存在“质量为1.4TeV左右的新粒子”或者“尚不为人知的单能态TeV粒子加速器”。如果这个精细结构最后能得以确证，这将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，是超过现有教科书之外的发现。

范一中说：“我们不能说我们发现了暗物质，我们只能说在哪里发现了奇怪的现象，然后由理论物理学家去解释。”
“我个人认为，低于1TeV的电子尤其是正电子大部分应该是来自天体物理现象，如果进一步测得更准，可能一些小结构与暗物质有关。现在我们更关心1.4TeV的这个数据点，这个突起的点太怪了，我们从来没有想到过天上会有这个家伙。如果这个信号被确认，那么意义重大。它也许意味着一种新粒子，就算不是新粒子，哪怕是天文现象也是从来没有人想到过的重大新发现。”范一中说。

6. 暗物质卫星悟空发现啥？

暗物质，一个人类追寻多年的宇宙魅影，最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。
国际权威学术期刊《自然》于北京时间30日在线发布，暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测，意味着中国科学家取得了一项开创性发现。

“‘悟空’的最新发现，是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说，如果后续研究证实这一发现与暗物质相关，将是一项具有划时代意义的科学成果，即便与暗物质无关，也可能带来对现有科学理论的突破。
探问宇宙之谜的火炬，传承到新时代的中国人手中。从“东方红一号”到“悟空”，从茫茫深海到浩渺太空，“中国梦”正承载起更多为全人类探寻未知、解答未知的使命。
打开“新窗口”：疑似暗物质踪迹初现?
经过两年持续观测，“悟空”在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段，“定位”了一束明显异于常态的电子宇宙射线。
“之前没有人发现过。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进解释，正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线，但根据“悟空”观测数据，这里突然出现了一处剧烈波动，划出一个“尖峰”，意味着此处必有“古怪”。
“现有的物理模型无法解释‘悟空’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。

新发现是否就是科学家苦苦追寻的暗物质踪迹?中科院理论物理研究所所长吴岳良说，根据现有数据和理论模型无法做出断定，但这是“暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据”。
暗物质是什么?发现暗物质的意义究竟有多重大?
当前主流科学界认为，人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5%，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测，与物质相互作用也很弱，人类至今对它知之甚少。
暗物质的“真相”因此位列21世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜，被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。
面对诱人前景，科学家在全球展开竞争，试图第一个找到暗物质的踪迹。天上，把强磁场设备送进太空;地下，深入几千米的大山建造实验室……科学家使出浑身解数，用上了多种探测手段，国际上的相关实验和设备多达数十个。
“‘悟空’用的是探测高能宇宙射线的方式，寻找暗物质粒子湮灭的间接证据。”常进说，根据理论模型，暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等宇宙射线，一旦找到特定的高能宇宙射线，有望推断出暗物质的“庐山真面目”。
“悟空”得出数据后，研究人员为了排除分析方法可能产生的干扰，将初始数据分别交由4个中外团队独立分析计算，最后得出一致结论：在1.4TeV处确实出现了异常现象。
这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说，如果进一步研究确认与暗物质相关，人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知，这将是一个超出想象的成就。
“即便无法证明是暗物质的踪迹，‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口。”常进说。
宇宙捞“针”：“悟空”有哪些绝技
《自然》期刊中国区科学总监印格致(Ed　Gerstner)对常进的话深以为然。“科学就是在一个接一个的‘可能’中不断接近真理，”他说，“对科学家来说，发现异常未知的那一刻最兴奋。”
不过，寻找“异常”与“可能”绝非易事。自2015年底发射升空，“悟空”探测了35亿多个高能宇宙射线，从中总共搜寻出100多个异常电子，难度不亚于大海捞针。
“天上的辐射背景太复杂，需要做出区分。”“悟空”科学应用系统总设计师伍健说，与国际同类探测设备相比，“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类宇宙射线的本领”这两项关键技术指标方面世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的信号。
“就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人，既要快，又要准。”常进说。
目前国际上知名的相关研究项目有美国费米卫星，日本量能器型电子望远镜，以及著名物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪等。“悟空”科学应用系统副总师范一中说，相比同类设备，“悟空”显著提高了电子能量观测的上限，得到的电子样本“纯净”程度也最高，这是中国科研人员自主提出的新探测技术，实现了对高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。
香港大学物理系副教授苏萌说，关键性的“拐折”由“悟空”首次测量出来，说明中国的暗物质卫星测量水平具有非常独到的优势。
“悟空”研究团队也坦承，目前数据统计量还不够，存在一定的统计误差。“我们是‘靠天吃饭’，天上有多少宇宙射线，我们才能测到多少事例。”常进说，要降低统计误差，唯一办法是积累大量数据，这需要更多时间。
好消息是，“悟空”在轨运行状况很好，预计卫星在天工作时间会大大超过设计寿命。“悟空”研究团队透露，今后两三年是卫星数据分析的关键时期，收集到目标事例越来越多，绘制的能谱越来越精确，还将有系列重大成果发布。
探索“无人区”：中国瞄准人类科学前沿
不久前，伍健到欧洲的合作伙伴总部访问，会议室陈列了三个科学实验装置的标志，按时间顺序分别是费米卫星、阿尔法磁谱仪和“悟空”。“这是他们从数十个合作项目中选出的、有代表性的实验，在相关领域最有希望取得成就。”伍健说。

“悟空”对暗物质的探寻，已经逐渐进入科学的“无人区”。但在“无人区”做一个“领跑者”，不是件容易的事。原创思想、技术实力，这些年来“悟空”研究团队没少被质疑。
上世纪90年代末，由于资金短缺，常进加入美国一个高能宇宙射线研究项目。起初，他的观测方法得不到美方同行的认同，经过反复模拟和实验验证，美方的南极气球项目终于采纳了他的方法，并在高能电子观测方面取得重要进展。
时隔多年，美国团队中一位教授在国际学术会议上提到此事，还连连感慨：“中国的常教授当年给我们带来一个疯狂的想法，结果一举成功!”
“悟空”用的一个探测器关键芯片需要进口，但当时国外对中国禁运这类芯片。“悟空”研究团队从零开始，研究芯片、改装芯片，最终用自己的技术解决了这一问题。
“整天跟着别人屁股后面搞研究，谈何自主创新?”常进说，“中国的科研人员一定要有自信，外国的技术路线不见得比我们强，关键在于我们找到了正确方法后自己能否守得住。”
站在科学的最前沿，也让中国科学家赢得更多荣誉。“我们主导的研究发现，就能把自己的名字署在上面。”范一中说。
从卫星设计、测试起，以常进为首的“悟空”研究团队不断吸引国内外科研人员加入，目前已经形成了来自中国、瑞士、意大利等国，人数超过100名的多学科顶尖人才团队。
从深海载人技术到量子保密通信，从“天眼”到“悟空”，中国对科学和技术“无人区”的探索日渐成为常态。“聚沙成塔，国家实力不断增强，对基础研究不断重视，让以前不可能的事情成为现实，也让科学家有机会实现更伟大的梦想。”常进说。


社会在进步。我们也要与时俱进。

7. “悟空”发现疑似暗物质踪迹初现是真的吗？

据报道，暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测，意味着中国科学家取得了一项开创性发现。

“‘悟空’的最新发现，是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说，如果后续研究证实这一发现与暗物质相关，将是一项具有划时代意义的科学成果，即便与暗物质无关，也可能带来对现有科学理论的突破。当前主流科学界认为，人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5%，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测，与物质相互作用也很弱，人类至今对它知之甚少。

暗物质的“真相”因此位列21世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜，被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说，如果进一步研究确认与暗物质相关，人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知，这将是一个超出想象的成就。