今日8:12，中国空间科学卫星系列首发星、暗物质卫星成功发射升空！
不同于以往我国发射的其他卫星，这是首颗专门用于基础科学研究的探测卫星。“悟空”的探测目标也不像“嫦娥”和“玉兔”那样清晰明了，它要寻找的是一种天文学家几乎肯定它存在，却没有人确切知道它是什么的东西——暗物质。
因此，“悟空”的发射看起来也更加理想主义。
关于“悟空”和暗物质，有7件小事你需要知道。
1
暗物质是个啥概念？
从上世纪30年代起，天文学家就从观测中陆续找到了一些证据，暗示宇宙中物质的质量远远大于所有可见物质的总和。
比如，他们发现银河系里千千万万颗恒星的运动速度大于预期，如果没有更多的东西施加额外的引力，银河系本身就会被甩得分崩离析，根本不能凝聚成形。再比如，星系团之类的庞大天体能够弯曲星光，扭曲并放大背后更遥远星系的影像，通过这种引力透镜效应，天文学家发现星系团的质量远远超出其中发光物质的总和。
宇宙的3种主要构成成分，暗物质所占比例超过20%。图片来源：《发现》杂志
于是，天文学家假设宇宙中存在一类看不见的物质，称它们为暗物质。
2
暗物质究竟是啥？
人！类！不！知！道！真的。
来吧，来寻找黑暗面吧！图片作者LordHayabusa357
但是，科学家可以利用理论和现有的观察数据来分析、假设。主流理论认为，暗物质可能由一大类粒子构成，它们被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）。
不同于构成我们身体及周边所有物品的基本粒子，这些暗物质粒子本身质量较大，却不参与任何电磁相互作用。不要小瞧这一“绝技”。归根到底，我们看得见、摸得着、尝得出、闻得到、听得清身边的其他东西，都是电磁相互作用在其中贡献力量的结果。所以，完全不参与电磁相互作用的WIMP粒子，就相当于是粒子世界中本领高超的隐身胖子，既看不见，也摸不着，更不要说用其他感观去感受它了。
但我们应该能够肯定的是：暗物质不是原力的黑暗面。好吧，这一点我们其实也不能确定。
3
如何寻找暗物质？
既然暗物质看不见、摸不着，还不参与任何电磁相互作用，那咋找？
人类目前知道3种方法。
第一种办法，是主动创造这些粒子。根据爱因斯坦的质能方程E＝mc^2，能量和质量是等价的，在一定条件下可以相互转换。如果把足够高的能量浓缩在极小的空间体积之内，这些能量就会转化为各式各样的粒子四散奔逃。如果能量足够高，运气足够好，或许能创造出暗物质粒子。
如何找到暗物质？我们创造一下好了！图片来自onceuponasaturday.com。
第二种办法，是守株待兔。暗物质粒子可以说是无处不在，每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛。被暗物质粒子撞上的原子核会发光发热，或者被撞得偏离了原来的位置，这些光和热还有位置移动是科学家有可能探测到的。
第三种办法，那就是等这些隐身的粒子自行现身。某些理论预言，当两个暗物质粒子相遇时，它们会相互湮灭，产生出高能的伽马射线，或者产生出高能的正反粒子对。这就好像两个隐身人在相遇的一瞬间，突然脱去了隐身斗篷，不只变成两个普通人，甚至还发出了耀眼的光芒。
请记住这三种可能的探测暗物质的方法，一会儿我们还要频繁讲到。
4
悟空是咋找暗物质的？
“悟空”暗物质探测卫星，采用的便是这第三种办法。
不论是伽马射线，还是普通的反物质粒子，都是可以直接探测到的。如果科学家在暗物质集中的地方探测到了过量的伽马射线，或者在宇宙中探测到了来源不明的高能反物质粒子，它们就有可能来源于反物质粒子的湮灭，从而给反物质的存在提供间接的证据。不过，由于这些信号无法很好地穿透地球大气层，用这种方法来间接寻找暗物质的探测器，必须被发射到地球以外才能够发挥作用。
“悟空”长这样。图片来自chinaspaceflight.com。
这就是我们一定要送“悟空”上天的原因。
5
国外的科学家也发射了类似的探测器么？
目前，真把空间暗物质探测付诸实施的团队并不多。
国际空间站上的阿尔法磁谱仪（右下标有AMS的装置）。图片来源：symmetrymagazine.org
大名鼎鼎的丁肇中，正在执行寻找暗物质的任务。他的团队，在国际空间站上安装了阿尔法磁谱仪（AMS），正在做和“悟空”类似的工作，所运营的探测方式也是上面说的第三种方法。2013年4月3日，AMS宣布探测到多余的正电子，可能源自宇宙中的暗物质。这是一个关键的进展，但证据量还不够。
相对于AMS，我们的“悟空”观测的能量范围高，部分能级灵敏度更高，而且还便宜。如果运气好，我们很可能后来居上。
图片来源：NASA。
除了这些专门的探测器之外，科学家家还利用别的仪器在观测。天文学家曾在银河系银盘的上下两侧发现了两个巨大的γ射线泡，被一些科学家认为是暗物质粒子湮灭的证据。
6
除了上天，人类正在地球上探测暗物质
上面说了3个寻找暗物质的可能方法，方法三需要上天，其他两个在地球上可以做。
大型强子对撞机啊，你这恢弘的巨兽。承载了科学家的几多梦想。图片来自howitworksdaily.com。
目前，大型强子对撞机（LHC）有寻找暗物质的计划。这樽科学神兽今年已经重启。在此之前，有报道表示：如果暗物质的粒子质量不是太大， 不超过LHC 的最高设计能量，那么寻找这些粒子就是加速器重启后的主要目标之一。甚至还有可能得到更奇怪的结果，例如发现三维空间之外的更高空间维度的蛛丝马迹。
LHC运用的是第一种方法。而要运用第二种方法，需要入地。
地下洞穴中，一个在建的低温暗物质搜寻实验的探测室。图片来自stanford.edu。
低温暗物质搜寻实验（CDMS）是第二种探测方法的代表。它的想法是，在银河系中穿行的数十亿个WIMP中，总该会有某一个与探测器中的某个原子核发生相互作用，非常轻微地推它一下。CDMS的夹心标靶由传感器之间的硅和锗构成，它们会记录下电子以及由这些碰撞所产生的微弱振动。为了保护这些探测器免受背景干扰辐射的影响，CDMS的团队将它安置在美国明尼苏达州一个地下700米深的矿井里。它们会被冷却到距离绝对零度仅有百分之一度，从而把热噪声降到最低。
7
“悟空”和寻找暗物质的意义
天文学家知道宇宙中有一些不发光的物质，但它们到底是什么，有着什么样的性质，现在却并不清楚。现有的物理知识无法解释暗物质，这也正是暗物质探测如此热门的原因。一旦找到暗物质粒子，甚至只要确定它的某些性质，比如质量，就将给物理学带来革命性的突破。
悟空上天，这又是我国空间探索史上的一个里程碑。图片来自《大闹天宫》。
当然，指望“悟空”一下子就能准确找到暗物质，用首席科学家常进的话来说，期待太高了。“悟空”有能力去寻找某一类暗物质粒子，但它实质上是一台空间宇宙线望远镜，一旦打开这扇新的窗户，必然会看见好多新奇的现象。能不能找到暗物质，这个不好说，但“悟空”的火眼金睛必然能够给天文学家带来新的洞见。
发表于 2017-11-30 05:01
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