在節(jié)目開(kāi)始之前，我們先來(lái)說(shuō)一個(gè)故事。在生活中，有一個(gè)“幽靈”始終圍繞在我們身邊，雖然留下許多蛛絲馬跡證明它確實(shí)存在，但從沒(méi)有人看見(jiàn)或者摸到它的“真身”。如今，“悟空”睜開(kāi)了火眼金晴，從紛繁復(fù)雜的亂象中抓住了一條關(guān)鍵線索，或許能夠幫助我們認(rèn)清這個(gè)幽靈的真面目。甚至，“悟空”還隱隱看到了這個(gè)幽靈留下的半個(gè)身影。?

　　這個(gè)故事并不是《西游記》的新編，而是2017年11月30日凌晨悟空號(hào)合作組在《自然》雜志上公布的首批科學(xué)成果。?

　　故事里的“悟空”，全名是暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，隸屬于中國(guó)科學(xué)院，從2015年12月17日發(fā)射升空以來(lái)，就一直在距離地面大約500千米的太陽(yáng)同步軌道上采集著數(shù)據(jù)。而“悟空”千方百計(jì)想要認(rèn)清真相的那個(gè)幽靈，就是大名鼎鼎的“暗物質(zhì)”。?

　　顧名思義，暗物質(zhì)指的是看不見(jiàn)的物質(zhì)。這不是因?yàn)闆](méi)有光 照亮它們，而是因?yàn)楣?照不亮它們。我們之所以能夠看到這個(gè)世界，看到身邊的桌椅板凳，看到遙遠(yuǎn)的日月星辰，是因?yàn)檫@些東西，或者說(shuō)這些物質(zhì)，在最根本的層面上，能夠和光互動(dòng)，也就是說(shuō)它們能夠被光照亮，或者能夠發(fā)出光亮。?

　　但暗物質(zhì)不同，它們和光形同陌路，互不理睬。暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，而光是一種電磁波。因此，暗物質(zhì)不反光，不發(fā)光，也不遮擋任何光線。?

　　與暗物質(zhì)互不理睬的，不只有光，還有普通物質(zhì)。分子和原子是普通物質(zhì)構(gòu)成的基石，這些基石能夠組裝在一起，本質(zhì)上是它們之間的電磁力在發(fā)揮作用。也正是通過(guò)這樣的電磁作用，我們才能夠觸摸到這個(gè)大千世界。而暗物質(zhì)，對(duì)這樣的電磁作用，根本就不屑一顧。?

　　于是，對(duì)于由普通物質(zhì)構(gòu)成的我們來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)不只看不見(jiàn)，連摸都摸不著，就像一個(gè)幽靈，來(lái)自于完全不同的另一個(gè)時(shí)空。?

　　既然看不見(jiàn)也摸不著，科學(xué)家憑什么認(rèn)定這個(gè)幽靈的存在千真萬(wàn)確，甚至不惜派“悟空”闖入天庭去探查它的真面目呢？?

　　實(shí)際上，這主要是因?yàn)槿f(wàn)有引力。傳說(shuō)中，砸在牛頓腦袋上的蘋(píng)果讓他悟出一個(gè)真諦——那就是，讓蘋(píng)果從樹(shù)上掉落的力量，同樣牽引著日月星辰在天空中依序運(yùn)轉(zhuǎn)。?

　　任何東西，只要擁有質(zhì)量，彼此間就會(huì)存在一種羈絆，使它們相互吸引。這種羈絆稱(chēng)為引力，是宇宙中唯一能夠遠(yuǎn)距離影響天體運(yùn)行的力量。天體在宇宙中如何運(yùn)行取決于它受到了多少引力，而所受到的引力又能反映出有多少物質(zhì)蘊(yùn)藏在它的周?chē)??？茖W(xué)家曾用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)解釋這個(gè)理論。?

　　天王星被發(fā)現(xiàn)不久，就有人提出，和理論推算的軌道相比，它的位置總是出現(xiàn)偏差。就算考慮了當(dāng)時(shí)已知的所有天體對(duì)它施加的吸引，也仍然有額外的引力在偷偷干擾它的運(yùn)行。有人據(jù)此推斷，太陽(yáng)系里應(yīng)該存在一顆當(dāng)時(shí)還未知的行星，在特定的位置上施加了額外的引力。果然，沒(méi)過(guò)多久，海王星就在預(yù)測(cè)位置上被發(fā)現(xiàn)了。萬(wàn)有引力定律因此深入人心。?

　　自上世紀(jì)30年代以來(lái)，在規(guī)模遠(yuǎn)大于太陽(yáng)系的宇宙尺度上，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)有越來(lái)越多的天體運(yùn)行規(guī)律，就算把所有看得見(jiàn)的物質(zhì)全都算上，也仍然需要有額外的引力才解釋得通。?

　　在銀河系級(jí)別的旋渦星系里，千億顆恒星繞著星系中心快速運(yùn)轉(zhuǎn)。這些恒星速度很快，要是沒(méi)有額外的引力，它們就會(huì)被甩到星系以外，令整個(gè)星系崩塌分解。而在規(guī)模更大的星系團(tuán)中，星系之間彌漫著能夠輻射出X射線的高溫氣體。這些氣體溫度非常高，要是沒(méi)有額外的引力，它們?cè)缇拖⒃谟钪婵臻g了。?

　　甚至，在宇宙演化早期，如果沒(méi)有額外引力的參與，普通物質(zhì)也不會(huì)如此快速地聚集成團(tuán)，形成如今人們看到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。?

　　天王星受到的額外引力，讓天文學(xué)家推斷出了尚未發(fā)現(xiàn)的海王星。同樣，整個(gè)星系、星系團(tuán)，甚至整個(gè)宇宙受到的額外引力，讓天文學(xué)家相信，宇宙中肯定存在某種未知的物質(zhì)，數(shù)量比普通物質(zhì)更多，能夠產(chǎn)生足夠的額外引力。由于看不見(jiàn)也摸不著，天文學(xué)家就把這種未知的物質(zhì)稱(chēng)為暗物質(zhì)。?

　　跟當(dāng)年很快就被人找到的海王星不同，暗物質(zhì)提出幾十年來(lái)，對(duì)于它到底是什么，科學(xué)家仍然一無(wú)所獲。理論學(xué)家推測(cè)，就像普通物質(zhì)由一系列基本粒子構(gòu)成一樣，暗物質(zhì)可能也是由一大類(lèi)粒子構(gòu)成。雖然這些粒子看不見(jiàn)也摸不著，但某些理論預(yù)言，在一些特殊情況下，這些隱身的粒子可能會(huì)露出馬腳。比如，當(dāng)兩個(gè)暗物質(zhì)粒子狹路相逢時(shí)，它們可能會(huì)相互湮滅，產(chǎn)生出伽馬射線和一系列并不隱身的高能粒子。?

　　在地球大氣層外，宇宙空間里充斥著許多橫沖直撞的高能粒子，稱(chēng)為宇宙線。這些粒子的來(lái)源始終成謎，或許大都來(lái)源于普通的高能天體物理過(guò)程，但也有可能，其中一部分來(lái)源于暗物質(zhì)粒子的相互湮滅或者衰變。來(lái)源于暗物質(zhì)的高能粒子，特別是正負(fù)電子，或許會(huì)在電子宇宙線的總能譜上留下獨(dú)特的印跡。這正是“悟空”的首要科學(xué)目標(biāo)。?

　　“悟空”的火眼金睛，其實(shí)就是一臺(tái)宇宙線望遠(yuǎn)鏡，自上天以來(lái)，便持續(xù)不斷地記錄著來(lái)自宇宙的高能粒子。在運(yùn)行的前530天里，“悟空”一共記錄到28億個(gè)高能粒子，從中分辨中150萬(wàn)個(gè)高能電子，而且，測(cè)量了它們的能量和來(lái)源方位。從這些數(shù)據(jù)中，科學(xué)家試圖找出暗物質(zhì)粒子湮滅的關(guān)鍵證據(jù)。?

　　早在“悟空”上天之前，科學(xué)家就在宇宙線里的高能電子中察覺(jué)到了一些異常。比如丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀就發(fā)現(xiàn)，在粒子能量超出某個(gè)數(shù)值時(shí)，宇宙線里正負(fù)電子的比例就會(huì)大大超出理論模型的預(yù)期，這似乎就可以用暗物質(zhì)粒子湮滅加以解釋。?

　　如果真是暗物質(zhì)粒子湮滅，那么理論上來(lái)說(shuō)，它所產(chǎn)生的高能電子就會(huì)存在一個(gè)能量上限，具體數(shù)值與暗物質(zhì)粒子本身的質(zhì)量有關(guān)。如果超過(guò)這個(gè)能量上限，高能電子的數(shù)目就會(huì)出現(xiàn)陡峭下跌，從而在宇宙線能譜中出現(xiàn)一個(gè)拐折。然而，不論是丁肇中的阿爾法磁譜儀，還是后來(lái)美國(guó)的費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡，對(duì)高能電子都只能測(cè)量到最高1萬(wàn)億電子伏特，沒(méi)有在能譜中發(fā)現(xiàn)任何拐折的跡象。?

　　由于“悟空”的火眼金晴對(duì)高能電子能量的測(cè)量，最高能達(dá)到10萬(wàn)億電子伏特。因此，在“悟空”看到的高能電子能譜圖上，預(yù)期中的拐折第一次確鑿無(wú)疑地顯現(xiàn)出來(lái)。以0.9萬(wàn)億電子伏特的能量作為分界，左側(cè)電子的數(shù)目變化相對(duì)平緩，右側(cè)卻要陡峭得多。?

　　如果這一拐折真的是由暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的，那么，理論上科學(xué)家就可以根據(jù)拐折的形狀，推斷出暗物質(zhì)粒子的一些特性。不過(guò)，直接觀測(cè)到這一拐折，還算不上是暗物質(zhì)粒子存在的確鑿證據(jù)。畢竟，其他天體的物理過(guò)程，比如脈沖星周?chē)母吣墁F(xiàn)象，也有可能產(chǎn)生形狀平緩的類(lèi)似拐折。這一拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，對(duì)于判定能量低于1萬(wàn)億電子伏特的電子宇宙射線是否來(lái)自暗物質(zhì)起到了關(guān)鍵性作用。?

　　當(dāng)推開(kāi)一扇新的窗口，除了可以看到預(yù)期中的美景之外，我們往往還會(huì)有一些意料之外的驚喜。“悟空”也是如此，除了拐折，似乎還隱隱看到了這個(gè)暗物質(zhì)幽靈留下的半個(gè)身影。?

　　在1萬(wàn)億電子伏特的能量之上，高能電子的數(shù)目已經(jīng)開(kāi)始陡峭下跌。然而，就在1.4萬(wàn)億電子伏特處，高能電子的數(shù)目卻比其他地方多很多。似乎在附近很狹窄的能量范圍之內(nèi)，宇宙線中高能電子的數(shù)目出現(xiàn)了一個(gè)尖銳的峰值。?

　　如果這個(gè)異常數(shù)據(jù)是真實(shí)的，那必定是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槟軌虬l(fā)出高能電子形成如此尖峰信號(hào)的天體，肯定是非常特殊的存在。不過(guò)，目前還無(wú)法解釋這個(gè)尖峰的形成原因。畢竟這只是“悟空”在運(yùn)行的前530天里采集到的第一批數(shù)據(jù)。由于宇宙線里的高能粒子存在隨機(jī)性，明顯離經(jīng)叛道的數(shù)據(jù)點(diǎn)也可能只是統(tǒng)計(jì)漲落，未必就是真實(shí)信號(hào)。?

　　好在，“悟空”健康狀況良好，預(yù)計(jì)可以在太空繼續(xù)服役3到5年，采集更多高能電子宇宙線的數(shù)據(jù)。或許只有到了那時(shí)，才能確切判斷這個(gè)尖峰是否真實(shí)。至于暗物質(zhì)粒子被發(fā)現(xiàn)的捷報(bào)，或許還需要等待更長(zhǎng)久的時(shí)間吧。?

　　好的，今天的非?？茖W(xué)到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號(hào)“feichangkexue”來(lái)關(guān)注我們，或者通過(guò)新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非?？茖W(xué)”與我們節(jié)目組進(jìn)行互動(dòng)。?

　　主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽(tīng)，并誠(chéng)邀您明天同一時(shí)間繼續(xù)與我們相約《非?？茖W(xué)》。?



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