新華視點(diǎn)【我國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星被命名為“悟空”】“悟空”肩負(fù)著去太空尋找暗物質(zhì)存在證據(jù)的使命，它擁有“火眼金睛”，觀測能段、能量分辨率超過國際上其他同類探測器，可謂“神通廣大”，有望在物理學(xué)前沿帶來重大突破。（記者吳晶晶）
“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星的太陽電池翼進(jìn)行展開試驗(yàn)。
“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星力學(xué)振動試驗(yàn)。
“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星
在人類的太空探索中，天文衛(wèi)星的問世使天文學(xué)產(chǎn)生了第三次飛躍，因?yàn)樗淖兞艘酝赜^天的傳統(tǒng)，擺脫了大氣層的封鎖，可在全波段范圍內(nèi)對宇宙空間進(jìn)行詳細(xì)的觀測。自從1960年世界第一顆天文衛(wèi)星上天以來，可見光天文衛(wèi)星、X射線天文衛(wèi)星、γ射線天文衛(wèi)星、紅外天文衛(wèi)星和紫外天文衛(wèi)星等各類天文衛(wèi)星層出不窮，其觀測成果極大地促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。
經(jīng)過多年努力，我國于2011年啟動了“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”，將陸續(xù)發(fā)射各類多顆天文衛(wèi)星，逐漸改變我國只是天文知識的使用國，而非產(chǎn)出國的局面，以獲得重大原創(chuàng)性天文學(xué)成果。而即將發(fā)射的我國第一顆天文衛(wèi)星，用于探測宇宙中的暗物質(zhì)粒子。
如何探測暗物質(zhì)
暗物質(zhì)是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，不帶電荷，不與電子發(fā)生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分。其密度非常小，但是數(shù)量龐大，因此它的總質(zhì)量很大，代表了宇宙中84.5%的物質(zhì)含量。暗物質(zhì)無法直接觀測得到，本身不和已知的任何明物質(zhì)發(fā)生關(guān)系，唯一發(fā)生關(guān)系的就是引力的變化，能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。
暗物質(zhì)是由萬有引力效應(yīng)明確證實(shí)其存在，但卻無法通過電磁波被直接觀測到的物質(zhì)，這是長久以來粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一，其研究成果很可能帶來基礎(chǔ)科學(xué)上的重大突破，導(dǎo)致粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和大爆炸宇宙論的完善、更新甚至揚(yáng)棄，預(yù)示著人類對物質(zhì)世界認(rèn)識的新的革命，直接推進(jìn)人類對宇宙的演化，對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的理解，也將是人類對自然界認(rèn)識革命性的飛躍。所以，不少國家都在開展這一方向的研究。
探測宇宙線分為地面探測和空間探測，兩者各有千秋。后者的優(yōu)點(diǎn)是能測量低能宇宙線，并且能區(qū)分宇宙線的種類，不足之處是受技術(shù)難度和費(fèi)用的限制，目前難以測量高能區(qū)的宇宙線，而前者反之，所以它們之間可以取長補(bǔ)短。
現(xiàn)在，通常有三種探測機(jī)制了解暗物質(zhì)的本質(zhì)：地面直接探測、加速器實(shí)驗(yàn)探測和太空間接探測。其中，地面直接探測的實(shí)驗(yàn)至今對暗物質(zhì)存在的參數(shù)空間給出了一定的限制；地面加速器上的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皼]有明確地給出暗物質(zhì)搜尋的結(jié)果；太空間接探測實(shí)驗(yàn)看到了一些暗物質(zhì)粒子存在的跡象，但仍需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累以及更高能量的精確測量，以確定這些信號究竟是來自于暗物質(zhì)或是其他天體物理過程。
測量宇宙線粒子能量的探測器一般分量能器和磁譜儀兩種，其中量能器用于測量宇宙線在探測器中產(chǎn)生的簇射。磁譜儀用于測量宇宙線在其磁場中的偏轉(zhuǎn)。我國“暗物質(zhì)粒子探測”等天文衛(wèi)星使用量能器探測暗物質(zhì)；“國際空間站”上的α磁譜儀2號等使用磁譜儀探測暗物質(zhì)。
“α磁譜儀2號”主要測軌跡
在空間探測暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)方面，目前最著名的是“國際空間站”上的α磁譜儀2號，它已取得了一些重要成果。
與天文望遠(yuǎn)鏡觀測物質(zhì)發(fā)出的可見光和電磁波不同，α磁譜儀2號是直接觀測粒子本身，因而它有可能發(fā)現(xiàn)天文望遠(yuǎn)鏡無法發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)等。
由諾貝爾獎獲得者丁肇中為首席科學(xué)家的α磁譜儀2號，于2011年5月被送至“國際空間站”，它主要是通過強(qiáng)大而特殊的磁場來探測到太空中“流竄”的粒子。帶電粒子進(jìn)入磁場后軌跡會發(fā)生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會發(fā)生變化，因而觀測粒子進(jìn)入這一磁場后軌跡是否變化，變化程度有什么不同，就可以推知這是何種粒子。
2014年，“國際空間站”α磁譜儀2號項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)公布了最新研究成果。其測量表明，暗物質(zhì)可能存在。暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生過量正電子有6個特征，其中開始點(diǎn)、上升速率、最高點(diǎn)等5個特征，都已被α磁譜儀2號測量到。該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要證實(shí)過量正電子是由暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生，6個特征缺一不可。最后一個特征就是正電子比例上升到最高點(diǎn)后是否有驟降，如果觀察到驟降，說明過量正電子來自暗物質(zhì)對撞；如緩慢下降，則可能來自脈沖星等天體。因此，α磁譜儀2號正在進(jìn)一步測量相關(guān)數(shù)據(jù)。丁肇中說，5個特征都已經(jīng)被測量到了，最后一個特征就是產(chǎn)生率會不會突然下降，這個要花很多的時間。如果很快下降，一定是暗物質(zhì)跟暗物質(zhì)對撞產(chǎn)生正電子，因?yàn)榘滴镔|(zhì)能量有限，到一定能量以后就不可能再產(chǎn)生正電子，所以會突然下降。
“暗物質(zhì)粒子探測”主要測能量
“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)是間接探測暗物質(zhì)，以及研究宇宙線物理和γ射線天文。它對高能粒子的探測方法與α磁譜儀2號不同。它雖然不能像α磁譜儀2號那樣能探測粒子在磁場中的變化，區(qū)分粒子的電極性，但是測量的能量譜段是最高的，可以探測能量極高的粒子。
暗物質(zhì)相互碰撞并湮滅時會產(chǎn)生明物質(zhì)，其能量很高。“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星探測的是暗物質(zhì)粒子之間相互碰撞湮滅后所產(chǎn)生的明物質(zhì)高能粒子，這種暗物質(zhì)粒子湮滅的物理機(jī)制在國際上是一種比較認(rèn)可的物理模型。
如果沒有暗物質(zhì)，通常宇宙中高能粒子的分布是逐漸下降的，因此，如果在太空中確定某一個方向觀測，從那個方向過來的高能粒子會隨著能量譜段的升高越來越少。要想觀測到高能譜段，就必須發(fā)射天文衛(wèi)星，探測器要更大，才能看得更加清楚；而且在太空中受到的干擾最小，天文衛(wèi)星飛行2至3年，能夠累計很多數(shù)據(jù)，就能看到能量譜是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是，需要解釋為什么會這樣。假如探測器什么都沒有看到，至少也可以證明這種關(guān)于暗物質(zhì)的理論不成立。
“暗物質(zhì)粒子探測”將進(jìn)行巡天觀測。經(jīng)過1至2年的巡天后，如果對某一方向的粒子特別感興趣，發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，會調(diào)整探測器，讓它集中觀測這個方向。
該天文衛(wèi)星具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)三大優(yōu)點(diǎn)，在暗物質(zhì)間接探測方面具有很強(qiáng)的國際競爭力。例如，在γ射線觀測方面，其靈敏度遠(yuǎn)高于α磁譜儀2號等探測器。其高能量分辨大大高于美國“費(fèi)米”γ射線大面積空間望遠(yuǎn)鏡，整體譜線探測能力要比“費(fèi)米”至少要高10倍以上；在宇宙射線重核探測方面，超過目前國際上所有實(shí)驗(yàn)。所以，它有望在暗物質(zhì)探測和宇宙線物理兩大前沿領(lǐng)域取得重大突破，并可望在γ天文方面取得重要成果，一旦取得突破，將很可能會帶來物理學(xué)新的革命。
未來探測
瞄準(zhǔn)暗物質(zhì)湮滅信號
未來，我國還將用裝在空間站上的“高能宇宙輻射探測設(shè)施”（HERD），重點(diǎn)探測暗物質(zhì)湮滅的γ射線譜線，它將有可能測量到暗物質(zhì)湮滅的確鑿無疑的信號。我國之所以在發(fā)射了“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”還要搞“高能宇宙輻射探測設(shè)施”，主要是為了增加搜尋暗物質(zhì)的手段和擴(kuò)大搜尋參數(shù)空間，各實(shí)驗(yàn)互相補(bǔ)充?！鞍滴镔|(zhì)粒子探測”和“高能宇宙輻射探測設(shè)施”的先后實(shí)施，將使得我國在這個領(lǐng)域保持領(lǐng)先并且做出重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
