巡天探测暗物质

　　12月17日8时12分，中国第一颗天文卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心被送入太空。“悟空”准确的科学名称是中国暗物质粒子探测卫星，英文名为DAMPE。

　　对大多数中国公众来说，暗物质还是一个很陌生的科学名词，但它显然极为重要。近年来，美国和欧洲科学界纷纷布局，提出自己的路线图，期望在暗物质问题上抢先取得突破。中国科学界对暗物质研究的重要性也已有共识。中科院在2009年发布的战略研究系列报告中提出四个可能出现革命性突破的基本科学问题，暗物质被列为第一个。

　　暗物质既不发光也不反射光，从来没有被直接“看”到过。只有通过万有引力，我们才能感知其鬼魅般的存在。但它又是如此真实，科学家从理论上认为，是它维系着宇宙不被撕裂；它在整个宇宙中所占的比重，是我们目前所能看见的所有物质的五倍多。

　　在科幻小说《三体》里，暗物质是太阳系遭受高级外星文明攻击后的隐形残骸，但是在现实中，科学家还只是从天文观测上认定它的存在，但并不知道它是什么。因此寻找到这种物质存在的确切证据，成了最具颠覆性的终极科学目标之一。揭开暗物质之谜，被看作将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃。

　　很多人或许会问，既然这种物质看不见摸不着，找到它又有什么用？这可以通过科幻小说《三体》中的“水滴”和“智子”来形象地解释。前者是一种以强相互作用结合在一起的致密小球，地球上的任何尖端武器在它面前都不堪一击，而地球人之所以如此落伍，就是因为地球人在基础高能物理的研究上，受到了外星派来的“智子”的干扰。

　　因此，像寻找暗物质、寻找中微子甚至寻找引力波这样的探索，并不仅仅是满足科学家的好奇心，还是解决最基础的科学问题。它们将会推动的，也将是人类社会质的进步。为了达到这个目标，科学家们“上天入地”，竭尽所能。

　　此次成功发射暗物质粒子控测卫星，标志着中国在二滩水电站建设地下暗物质探测实验室后，在暗物质探测方面实现了“上天入地”。

暗物质不“暗”

　　在传统天文学上，一般根据星系的光谱特征推算质量，星系和星系团中成员的运动应该被所有成员产生的引力所束缚。但是在20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基(Fritz Zwicky)通过测量后发现星系团中一些成员星系的运动状态，而且这些星系的运动速度远远大于预期，根本无法被星系中发光物质的总质量产生的引力所束缚，这个星系早就应该分崩离析。

　　既然如此，那么这个星系团的质量肯定要大得多。因此茨威基提出，在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。他将多出的这部分不可见的质量称为“暗物质”。

　　20世纪70年代初，女天文学家Vera Rubin等在观测临近漩涡星系中的恒星运行速度时就发现，越往外，围绕中心的速度并不都是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的常规不符。科学家们猜测：宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现。

　　“必须有些东西在那里。”从事宇宙学研究的中科院高能所研究员张元仲对财新记者说，由于引力效应，转动的离心力和引力要平衡，但是星系成员的速度要快得多，引力应该更强得多，这说明在发光体之外应该还有物质存在。

　　虽然也有人对这种现象给出另外一种解释，即在星系的尺度上，万有引力定律可能不再适用，但绝大多数天文学家已经不再怀疑暗物质的存在。如今，主流科学家的关注重点已经从“暗物质是否存在”转向“暗物质是什么”了。 

　　虽然暗物质不发射电磁波，但是暗物质肯定有质量，肯定是某种粒子，只是人类尚未发现。根据Planck卫星的宇宙微波背景辐射观测，天文学家认为 ，宇宙由27％的暗物质、68％的暗能量和5％的普通物质组成。根据当前的暗物质模型，银河系外围的暗物质分布可能扩展至100万光年的跨度，而银河系的直径为10万光年左右。

　　“没有暗物质的话，宇宙的结构没法这么快形成。”国家天文台研究员高亮对财新记者说，目前绝大多数科学家认可暗物质的存在可能性，虽然有人提出一些新的理论，基本上已经被排除掉。

　　在他看来，由于暗物质的存在，导致光线偏折的引力透镜现象，是更直接的证据。子弹头星系团中的星系大碰撞，更是直观地展现了恒星、气体、暗物质的“百万光年战争”。

　　上海交通大学物理与天文系特别研究员刘江来对财新记者说，暗物质的存在，应该说在天文学和宇宙学上的证据已经非常强，但是到底是什么粒子，我们还不得知，因此有很多不同的假说，有很多候选的粒子，但是我们从来没有真正地发现它们。

　　80多年来，科学家们一直在“究竟何为暗物质”以及“人们为什么看不到暗物质”上产生争论，他们给出了许多种推测和解释，其中最有可能的一个候选物质被称为 “弱相互作用大质量粒子”(weakly interaction massive particle，WIMP)。

　　理论上，这种粒子应该具备这些特点：粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；与普通粒子相比质量较大；由于它们不参与电磁力作用，因此很难被直接探测到；由于它们不参与强核力作用，因此它们基本上与普通物质不发生相互作用；由于它们质量较大，因此它们运动的速度相对缓慢，因而能够成团聚集。

　　还有一个候选者是质量较轻的轴子(axion)。是在20世纪70年代为了解决CP守衡问题所提出的一个假想粒子，理论预测轴子的质量极微小，只有电子的五千亿分之一到五千万分之一，而且电荷和自旋都是零。轴子能够环绕黑洞运行，黑洞可能被巨大的“轴子”云包围着，因此可能是暗物质的一个组成部分。

　　虽然我们看不到暗物质，但是它仍然可能与其他物质存在相互作用，也可能转变为某种可以看到的粒子，从这个角度上说，暗物质其实是“不暗”的，关键是我们用什么方法探测到。

上天入地

　　如何能够找到暗物质粒子?刘江来告诉财新记者，如果它是WIMP的话，就可能与其他物质的原子核发生碰撞，并由于它与原子核的弱相互作用，造成原子核的反冲，这时会产生微小的光脉冲或电荷，从而可能被探测器探测到。

　　这也是在地球上直接“看到”暗物质的惟一希望。当然这种“看到”，也不能说是直接的，只能说可以看到暗物质留下的痕迹。

　　不过由于原子核体积占原子本身的比例就非常小，预期每个月WIMP与每千克目标物质的原子核的碰撞率为1次-10次。所以为了发现这种作用，探测器就需要尽量大，而且尽量放到深层地下，以屏蔽宇宙射线的干扰。

　　目前，全球以探测暗物质为目标的地下实验室多达20多个，科学家正试图将寻找暗物质的地下实验转移至更深处。例如意大利的DAMA实验组，选取碘化钠晶体做探测器，使用光电管来探测碰撞后产生的光信号。他们十多年前就声称探测到暗物质产生的信号，不过这一结果没有得到其他实验组的证实。

　　2011年，美国明尼苏达州一座矿山，700米地下的CoGeNT实验组，声称看到暗物质踪迹，置信度达到99.5%。2013年4月，这里的CDMS实验组声称发现暗物质粒子反弹现象，置信度达到99.8%。

　　2010年位于二滩水电站2500米地下、全球最深的暗物质探测实验室——中国锦屏地下实验室开始启用，清华大学主导的CDEX实验和上海交通大学主导的PandaX实验进驻其中，他们分别用锗晶体和液态氙作为探测器。

　　2014年，CDEX实验组得到了高纯锗探测器在国际上最灵敏的实验结果，进一步缩小了暗物质可能存在的区域。PandaX实验组也于同年公布了一期实验获得的首批数据，对以往国际上所有发现的疑似轻质量暗物质信号提出了质疑。

　　刘江来说，每个不同的探测器，总可以给出超过本地噪声的事例，但是，其他的实验或者探测器要么比中国的小，要么探测时间比中国的短。如果（各方）是针对同一种粒子，作用的几率一样大的话，“为什么我们没有看到？因此几个实验的结果是不相容的”。

　　除了和探测器核子的直接散射，暗物质粒子之间也可以发生自湮灭，产生出能够捕捉到的宇宙线粒子，例如伽马射线、正反质子、正负电子以及中微子等。现已有很多宇宙线实验可开展此类的暗物质搜寻工作。

　　一项国际瞩目的项目是美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目，这是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。2013年丁肇中领导的研究团队宣布，阿尔法磁谱仪发现了WIMP存在的证据，2014年9月，他们的成果表示，暗物质存在实验的六个有关特征中，已有五个得到确认。

　　从理论上讲，暗物质相互碰撞会产生过量正电子，AMS就是通过探测正电子来寻找暗物质。AMS在太空实际运转中探测到40万个正电子，远远超出人们的想象。根据宇宙线粒子能谱的幂律分布，随着粒子能量的增加，正电子在其中的比例应该不断下降。但AMS实验却发现在能量大于一定水平时，正电子的比例开始上升。

　　据丁肇中研究小组的结果，在已完成的观测中，暗物质的六个特征已有五个得到确认。最后一个特征就是正电子比例上升到最高点后是否有骤降，如果观察到骤降，说明过量正电子来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星、中子星等天体。丁肇中说：“很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。”

　　AMS-02将在国际空间站上运行到2028年，丁肇中表示，随着数据量的逐渐增长，测量精度将越来越高，对这些多出来的正电子是否来源于暗物质粒子，最终会给出一个定论。

　　丁肇中没有得到确认的最后一个特征，恰恰是最关键的一个特征。中国暗物质卫星项目科学应用系统总工程师、中科院紫金山天文台研究员伍健对财新记者说，在正电子的分布上有截止峰，是国际上公认的发现WIMP的标准。

　　而中国的项目，虽然没有磁谱仪，无法区分正负电子，但是有一台非常灵敏的量能器，目的是探测高能伽马和电子的总和。伍健说，如果伽马射线的能谱上，在某个能量处有一个尖峰，是用现有理论解释不了的；或者如果发现银河系的伽马射线的空间分布不是饼状，而是球状，跟理论预言的近乎球状的银河系暗物质分布相同，就说明可能存在暗物质。

　　中国暗物质探测卫星名为DAMPE，运行于500公里高度太阳同步轨道。它可以探测高能伽马射线、电子和宇宙射线，是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探测卫星。2015年8月，日本也发射了量能器电子望远镜，此项目与中国刚发射的卫星研究目标较为接近。

　　12月16日下午，中国科学院国家空间科学中心宣布，将暗物质粒子探测卫星正式命名为“悟空”——一是有“领悟、探索太空”之意；二是孙悟空的火眼金睛，可以在茫茫太空中，识别暗物质的踪影。

　　另一种间接搜寻的方法来自于对撞机实验。与暗物质粒子湮灭过程互逆的是，普通粒子碰撞也可能产生暗物质粒子对，当然前提是要能量高到足以产生这样重的粒子。而产生的暗物质粒子将不留痕迹地跑掉，看上去就是有些能量无缘无故地消失了。欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC在升级后，也将为暗物质粒子搜寻提供很有价值的信息。

后发优势

　　在过去的五年里，锦屏地下实验室暗物质探测、卫星暗物质探测、西藏阿里的宇宙背景辐射探测、空间站以及南极天文的项目等，帮助中国在暗物质研究上从“跟跑” 到“并跑”，这也为最终可能的“领跑”打下基础。

　　在外界看来，虽然中国对暗物质的研究起步较晚，但是进展最快。中国锦屏地下实验室两个实验组发表的成果，在国外科学家看来，已真正使得中国暗物质搜寻努力“走到了国际社会的最前沿”。

　　刘江来透露，现在两个实验都正在升级，把靶子的质量做得更大，进一步压低本地噪声，未来仪器会更敏感，有所发现的潜力会更大。

　　上海交通大学鸿文讲席教授季向东表示，随着实验探测灵敏度的提升，中国科学家有望率先找到理论预言的一类暗物质粒子，“我们已接近发现的边缘”。

　　也有人认为，中国虽然在暗物质的研究上走到了前沿，但还是在外国科学家提出的理论框架内，并没有新的突破。对此，国家天文台研究员高亮认为中国还需要时间，因为大的理论框架在20世纪已经成熟，轻易无法做出太多创新。

　　“20世纪初的机会已经错过了，我们需要等下一个机会。”当然这也可以看作是一种后发优势，既然他们已经趟出了道路，我们就可以做很多他们没有做过的事情。寻找的目标就更明确。高亮说：“现在处于盲人摸象的阶段。一时半会儿还摸不完。”

　　作为这次暗物质卫星项目的首席科学家，常进在1998年提出了一种探测暗物质的新方法，他还帮助日本设计了暗物质探测器。此次，由他主导的中国首颗暗物质探测卫星研究，在观测能段范围、能量分辨率等方面一举超过他国，而费用只有1亿美元，分别是美国Fermi项目、AMS二期项目的1/7和1/20。

　　暗物质粒子探测卫星是中国科学卫星系列的首发星，于2011年底立项，是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器，为暗物质探测研究开辟了一个新的观测窗口。

　　发射进入太空后，它的轨道为太阳同步轨道，高度约500公里，每天传回的数据量约12G字节。地面团队将有100余人对此展开分析研究，首批科学成果将有可能在六个月至一年后发布。

　　寻找暗物质，究竟有什么用，难道只是为了得诺贝尔奖？刘江来总是想把它和100年前的情况相比，当时经典力学、电动力学已经非常完备，当时只是存在“以太”学说的失败和黑体辐射难以解释这两朵“乌云”，只是很小的瑕疵。但是在解决这两个瑕疵的过程中，最后酝酿出了相对论、量子力学，而如果没有量子力学、相对论，就没有现代的社会。“对于暗物质也一样，我们不知道‘乌云’意味着什么，我们甚至理解不了，但是新的发现肯定会有更长远的应用。”他说。

　　很多物理学家和天文学家已经开始有预感：今天物理学面临的状况与19世纪末20世纪初诞生相对论和量子力学时的状况非常类似。揭开暗物质之谜，将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃。

　　高亮告诉财新记者，因为WIMPS是超对称理论所预言的一种粒子，在目前公认的粒子物理标准模型中尚没有它的位置，一旦被发现的话，势必对现有的理论物理体系带来巨大的推动。当然也有可能找不到，那么还有其他的候选者，比如轴子、惰性中微子。

　　目前华盛顿大学的科学家已经在开展轴子暗物质实验（ADMX），当一个轴子通过他们设置的磁力场时，有时候它会以光子的形式展现出来。而惰性中微子虽然不会像WIMPS一样湮灭产生正负电子对，但是会衰变产生X射线。目前国际上有几个研究小组正在寻找惰性中微子所产生的X射线。

　　当然从更现实的角度，这样的前沿基础科学项目，对推动国内基础工业的进步，是非常重要的刺激。

　　刘江来说，所有东西都需要自己设计，刚刚回国的时候，连真正国产的高真空阀门都找不到，但是现在国内的厂家已经具备了这样的能力，这样的例子还有很多很多。光电倍分管是日本做的最好，其实就靠日本的几个获得诺贝尔奖的项目养起来的。

　　他说，现在这样的大实验越来越多，这种前沿的基础科学实验，对推动高精尖的设备器件研发，是一个重要的推动，让厂家可以在不考虑市场环境的情况下，以定制的方法进行深度的研发。“一个更明显的例子，是阿波罗登月项目，这个项目产生的成果，已经惠及几代人。”■