在節(jié)目開始之前，我們先來說一個故事。在生活中，有一個“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存在，但從沒有人看見或者摸到它的“真身”。如今，“悟空”睜開了火眼金晴，從紛繁復雜的亂象中抓住了一條關鍵線索，或許能夠幫助我們認清這個幽靈的真面目。甚至，“悟空”還隱隱看到了這個幽靈留下的半個身影。?

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

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

　　顧名思義，暗物質(zhì)指的是看不見的物質(zhì)。這不是因為沒有光 照亮它們，而是因為光 照不亮它們。我們之所以能夠看到這個世界，看到身邊的桌椅板凳，看到遙遠的日月星辰，是因為這些東西，或者說這些物質(zhì)，在最根本的層面上，能夠和光互動，也就是說它們能夠被光照亮，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。也正是通過這樣的電磁作用，我們才能夠觸摸到這個大千世界。而暗物質(zhì)，對這樣的電磁作用，根本就不屑一顧。?

　　于是，對于由普通物質(zhì)構(gòu)成的我們來說，暗物質(zhì)不只看不見，連摸都摸不著，就像一個幽靈，來自于完全不同的另一個時空。?

　　既然看不見也摸不著，科學家憑什么認定這個幽靈的存在千真萬確，甚至不惜派“悟空”闖入天庭去探查它的真面目呢？?

　　實際上，這主要是因為萬有引力。傳說中，砸在牛頓腦袋上的蘋果讓他悟出一個真諦——那就是，讓蘋果從樹上掉落的力量，同樣牽引著日月星辰在天空中依序運轉(zhuǎn)。?

　　任何東西，只要擁有質(zhì)量，彼此間就會存在一種羈絆，使它們相互吸引。這種羈絆稱為引力，是宇宙中唯一能夠遠距離影響天體運行的力量。天體在宇宙中如何運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)蘊藏在它的周圍。科學家曾用一個簡單的例子來解釋這個理論。?

　　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。就算考慮了當時已知的所有天體對它施加的吸引，也仍然有額外的引力在偷偷干擾它的運行。有人據(jù)此推斷，太陽系里應該存在一顆當時還未知的行星，在特定的位置上施加了額外的引力。果然，沒過多久，海王星就在預測位置上被發(fā)現(xiàn)了。萬有引力定律因此深入人心。?

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

　　在銀河系級別的旋渦星系里，千億顆恒星繞著星系中心快速運轉(zhuǎn)。這些恒星速度很快，要是沒有額外的引力，它們就會被甩到星系以外，令整個星系崩塌分解。而在規(guī)模更大的星系團中，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，要是沒有額外的引力，它們早就消散在宇宙空間了。?

　　甚至，在宇宙演化早期，如果沒有額外引力的參與，普通物質(zhì)也不會如此快速地聚集成團，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，讓天文學家推斷出了尚未發(fā)現(xiàn)的海王星。同樣，整個星系、星系團，甚至整個宇宙受到的額外引力，讓天文學家相信，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。由于看不見也摸不著，天文學家就把這種未知的物質(zhì)稱為暗物質(zhì)。?

　　跟當年很快就被人找到的海王星不同，暗物質(zhì)提出幾十年來，對于它到底是什么，科學家仍然一無所獲。理論學家推測，就像普通物質(zhì)由一系列基本粒子構(gòu)成一樣，暗物質(zhì)可能也是由一大類粒子構(gòu)成。雖然這些粒子看不見也摸不著，但某些理論預言，在一些特殊情況下，這些隱身的粒子可能會露出馬腳。比如，當兩個暗物質(zhì)粒子狹路相逢時，它們可能會相互湮滅，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，稱為宇宙線。這些粒子的來源始終成謎，或許大都來源于普通的高能天體物理過程，但也有可能，其中一部分來源于暗物質(zhì)粒子的相互湮滅或者衰變。來源于暗物質(zhì)的高能粒子，特別是正負電子，或許會在電子宇宙線的總能譜上留下獨特的印跡。這正是“悟空”的首要科學目標。?

　　“悟空”的火眼金睛，其實就是一臺宇宙線望遠鏡，自上天以來，便持續(xù)不斷地記錄著來自宇宙的高能粒子。在運行的前530天里，“悟空”一共記錄到28億個高能粒子，從中分辨中150萬個高能電子，而且，測量了它們的能量和來源方位。從這些數(shù)據(jù)中，科學家試圖找出暗物質(zhì)粒子湮滅的關鍵證據(jù)。?

　　早在“悟空”上天之前，科學家就在宇宙線里的高能電子中察覺到了一些異常。比如丁肇中領導的阿爾法磁譜儀就發(fā)現(xiàn)，在粒子能量超出某個數(shù)值時，宇宙線里正負電子的比例就會大大超出理論模型的預期，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，那么理論上來說，它所產(chǎn)生的高能電子就會存在一個能量上限，具體數(shù)值與暗物質(zhì)粒子本身的質(zhì)量有關。如果超過這個能量上限，高能電子的數(shù)目就會出現(xiàn)陡峭下跌，從而在宇宙線能譜中出現(xiàn)一個拐折。然而，不論是丁肇中的阿爾法磁譜儀，還是后來美國的費米空間望遠鏡，對高能電子都只能測量到最高1萬億電子伏特，沒有在能譜中發(fā)現(xiàn)任何拐折的跡象。?

　　由于“悟空”的火眼金晴對高能電子能量的測量，最高能達到10萬億電子伏特。因此，在“悟空”看到的高能電子能譜圖上，預期中的拐折第一次確鑿無疑地顯現(xiàn)出來。以0.9萬億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，直接觀測到這一拐折，還算不上是暗物質(zhì)粒子存在的確鑿證據(jù)。畢竟，其他天體的物理過程，比如脈沖星周圍的高能現(xiàn)象，也有可能產(chǎn)生形狀平緩的類似拐折。這一拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，對于判定能量低于1萬億電子伏特的電子宇宙射線是否來自暗物質(zhì)起到了關鍵性作用。?

　　當推開一扇新的窗口，除了可以看到預期中的美景之外，我們往往還會有一些意料之外的驚喜?！拔蚩铡币彩侨绱?，除了拐折，似乎還隱隱看到了這個暗物質(zhì)幽靈留下的半個身影。?

　　在1萬億電子伏特的能量之上，高能電子的數(shù)目已經(jīng)開始陡峭下跌。然而，就在1.4萬億電子伏特處，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)了一個尖銳的峰值。?

　　如果這個異常數(shù)據(jù)是真實的，那必定是一個重大發(fā)現(xiàn)，因為能夠發(fā)出高能電子形成如此尖峰信號的天體，肯定是非常特殊的存在。不過，目前還無法解釋這個尖峰的形成原因。畢竟這只是“悟空”在運行的前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性，明顯離經(jīng)叛道的數(shù)據(jù)點也可能只是統(tǒng)計漲落，未必就是真實信號。?

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

　　好的，今天的非常科學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“feichangkexue”來關注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟之聲非?？茖W”與我們節(jié)目組進行互動。?

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



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