“悟空”上天!关于暗物质你需要知道的7件小事

作者: 果壳

来源: 果壳网

发布日期: 2015-12-17

“悟空”暗物质卫星成功发射,专门用于基础科学研究,旨在寻找暗物质。文章介绍了暗物质的定义、可能的构成、寻找方法、“悟空”的探测方式及其意义。

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。

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%。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。

人!类!不!知!道!真的。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。

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。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。

“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。

这就是我们一定要送“悟空”上天的原因。

目前,真把空间暗物质探测付诸实施的团队并不多。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。

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。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。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。

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。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。

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