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“悟空”疑似发现暗物质,新物理学大门或将开启

 2017/12/1 10:00:51 《科学时评》 作者:孙正凡 我有话说(0人评论) 字体大小:+

继引力波探测成果获得诺贝尔奖之后,物理学界又传来了令人惊喜的好消息,这一次是中国科学家领衔的科学院团队做出来的。

昨天,著名科学期刊《自然》(Nature)刊登了中国“悟空”暗物质粒子探测卫星(DAMPE)历时近两年获得的首批成果——在宇宙射线电子能谱TeV处首次直接探测到转折,其来源可能是暗物质。

如果引力波的证实是爱因斯坦广义相对论这个经典理论大厦的最后一块砖的话,那么“悟空”这次成果预示着新物理学的大门即将开启。

若无暗物质,宇宙不是如今这样

暗物质是当今天体物理学和宇宙学面临的重大未解问题之一。通过对银河系、星系团、引力透镜等天体的观测,天文学家已经知道了暗物质的存在,占宇宙总质量—能量的23%。

而可见的普通物质才仅仅占了4%,但它们又是看不见摸不着的,因为从理论上来说,他们跟我们这些普通物质不会发生碰撞,不会发光。

即使这些暗物质在我们身边,我们也抓不到他——而且他们密度太小了,即使在整个地球体积上,暗物质总共才只有几公斤。

但是在大尺度的范围上,暗物质又很重要,星系结构的形成必须由暗物质参与。也即,如果没有暗物质的话,我们这个宇宙根本就不是现在这个样子,甚至可能根本都不会有我们的存在。

因为暗物质如此重要,又难以追捕,所以从上世纪以来,有不少科学团队加入到对暗物质的搜寻之中,但获得的基本都是零结果——这证实了在某些能区里,并不存在暗物质迹象。

但这些过程也很重要,因为这给后来者扫清了障碍,指明了方向。这些探测器工作的基础是,在少量暗物质的激烈碰撞过程,会发出极高能量的电子。通过探测宇宙射线中出现的异常信号,反向探索暗物质的性质。

2015年12月17日“悟空”发射升空,它最重要的使命,用暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进的话讲就是,“我们想通过‘悟空’的火眼金睛,找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’”。

“悟空”具有其他探测器(比如美国费米卫星、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪)更宽的能谱。它的工作区域有一部分(在1.4TeV以上)在此前被认为应该不存在任何信号。因此悟空号在接近1TeV处的“拐折”处探测到了显著信号,无论是否来自于暗物质,都是非常重要的。

就像之前一些探测器的零结果会排除相当一批暗物质理论模型一样,这次探测结果对于高能天体物理、暗物质理论模型也进一步提出了挑战,会进一步检验究竟哪些理论能继续存在,或者需要进一步更新。

是否发现暗物质还需更多数据支撑

常进研究员认为,这次的探测结果有99.99%的可能性是来自于暗物质,但也有可能是来自于超新星或者脉冲星对电子和负电子的加速过程。

因此,还需要进一步积累数据,看清这个区域更细节的表现,确定其形成机制。

正如引力波的探测告诉我们,在宇宙深处存在以前,我们没有认识到的巨大的黑洞会发生合并,夜空虽然看上去祥和,但在宇宙里实际上存在许多暴烈的物理过程,其中一些高能粒子会到达地球,这就是宇宙射线。

有许多看不见的粒子正无时不刻地在穿过我们的身体。“悟空”号的探测结果将进一步拓宽我们对宇宙的认识。

这次在《自然》发表的文章是以DAMPE(悟空)合作组的名义发表。这个合作组是以中国为主,包括来自瑞士和意大利多所大学的近百位科学家组成的。

从探测器的研发,到国际合作搜寻暗物质,这也标志着中国的基础科学已经从“跟踪前沿”到了“领先发展”的阶段。

有意思的是,这次成果的新闻发布会是11月27日在北京秘密召开的,只向部分新闻媒体公布信源,并约定在29日《自然》文章上线后方可公布消息。

这也是《自然》等国际科学媒体宣布重大消息时的一贯做法,既做到保密性,又给相关媒体留出足够的时间进行新闻采写。

暗物质和新物理学,已经来到了我们的门槛上。