火眼金睛的“悟空”究竟看到了什么?结果耐人寻味!

作者: 原原

来源: 《自然》

发布日期: 2017-11-30

中国暗物质粒子探测卫星“悟空”在《自然》发表了第一次成果,成功获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。尽管此次结果并未直接找到暗物质,但揭示了电子能谱中的拐折和尖峰,为理解宇宙射线物理起源和暗物质研究提供了重要线索。

经历了530天的数据采集,中国暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)今日在《自然》发表了第一次的成果:成功获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。顾名思义,“悟空”自2015年12月17日升空以来,其主要的科学的目标便是探测暗物质粒子。那么,大家最关心的问题来了,此次“悟空”所发表的重大成果是否意味着我们已经找到了占据宇宙约26.8%的暗物质?

答案是:不知道,并没有确切的证据表明我们已经找到了暗物质。我们只能等待在未来收集更多的数据时,才能弄清楚究竟发生了什么。尽管如此,这次的结果也是非常令人惊喜的!究竟什么是暗物质?我们并不知道,通过天文观测,我们可以推测出暗物质不发光、不反射、也不吸收光。因此,通过普通的光学手段是无法找到它们的踪迹的。寻找暗物质的手段通常由三种,简称为“上天入地对撞”。

“入地”指的是把探测器建到地底下以屏蔽掉宇宙射线的干扰,静静地等待暗物质粒子和普通物质粒子之间的直接碰撞。“对撞”则是指在大型粒子对撞机中产生出暗物质粒子。而“悟空”则属于第三种,是一种空间高能粒子探测器,主要负责探测暗物质湮灭或衰变的时候产生看得见的粒子,比如电子和正电子等,这种手段属于间接探测法。

探测暗物质的三种方法:直接探测、间接探测和对撞机探测。根据常规的天体物理过程会产生的电子能谱是平滑变化的,而暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子会在能谱上反映出一些奇怪的特征信号,比如在能谱上可能会看到截断或者单能线谱的一类的特征。由于“悟空”探测器的精度足够高,因此可以揭示此类特征。这也是为什么“悟空”发布的第一个成果是关于高能电子宇宙线能谱。那么这次“悟空”究竟看到了什么?

其结果如下图:“悟空”获得的高能电子宇宙线能谱(红点),以及费米卫星的测量结果(蓝点)、丁肇中领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)、HESS的两次测量结构(灰点)的比较。在这张图中,我们可以发现有两个有趣的特征:1. 电子能谱在大约1TeV处,可以清晰地看到一个拐折。这个拐折的精确测量是理解低于1TeV的电子宇宙线物理起源的关键。

在之前的实验HESS中也观测到类似的拐折,但由于误差较大,因此无法确定。而在AMS-02和Fermi-LAT的结果中均没有出现拐折。2. 更令人激动的是,在1.4TeV处出现了一个尖峰,这是意想不到的。过去在所有实验中都没有看到类似的现象,这可能预示着在宇宙中存在着质量约为1.4TeV的新粒子,或许是暗物质粒子,又或者是某种天体(很可能是脉冲星)将电子加速到单一能量,我们还无法确定。

接下来“悟空”将继续收集更多的数据,进一步揭示宇宙的奥秘。即使最终的结果并不是暗物质,这些测量也能够加深我们对宇宙射线加速的理解,以及告诉我们关于超新星周围的冲击波的物理过程和脉冲星的物理。最后,有一点是肯定的,中国在空间科学领域已然崛起!

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