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“悟空”的火眼金睛,到底看到了啥?

Steed 发表于  2017-11-30 07:11

“悟空”在《自然》杂志上公布了首批科学成果。图片来源:新华社贺萌绘制

有一个幽灵始终萦绕在我们身边,留下许多蛛丝马迹证明它确实存在,却从没有人看见或者摸到它的真身。如今,“悟空”睁开了火眼金晴,从纷繁复杂的乱象中抓住了一条关键线索,或许能够帮助我们认清这个幽灵的真面目。甚至,“悟空”还隐隐看到了这个幽灵留下的半个身影。

这不是《西游记》故事新编,而是今天凌晨悟空号合作组在《自然》杂志上公布的首批科学成果。

故事里的“悟空”,全名是暗物质粒子探测卫星,隶属于中国科学院,自2015年12月17日发射升空以来,就一直在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上采集着数据。今天凌晨公布的,是这颗卫星在运行的头530天里获得的首批数据。

在太空中运行的暗物质粒子探测卫星。图片来源:中国科学院

暗物质幽灵

“悟空”千方百计想要认清真相的那个幽灵,就是大名鼎鼎的“暗物质”。

顾名思义,暗物质指的是看不见的物质。不是因为没有光照亮它们,而是因为光照不亮它们

我们之所以能够看到这个世界,看到身边的桌椅板凳,看到遥远的日月星辰,是因为这些东西,或者说这些物质,在最根本的层面上,能够跟光互动——它们能够被光照亮,或者能够发出光亮。

暗物质则不同,它们和光形同陌路,互不理睬。用严谨的科学术语来说,暗物质不参与电磁相互作用,而光,我们知道,是一种电磁波。因此,暗物质不反光,不发光,也不遮挡任何光线。

与暗物质形同陌路的,不只有光,还有普通物质。分子和原子是普通物质构成的基石,这些基石能够组装在一起,本质上是它们之间的电磁力在发挥作用。也正是通过这样的电磁作用,我们才能够触摸到这个大千世界。而暗物质,对这样的电磁作用,根本就不屑一顾。

于是,对于由普通物质构成的我们来说,暗物质不只看不见,连摸都摸不着,就像一个幽灵,来自于完全不同的另一个时空。

既然看不见也摸不着,科学家凭什么认定这个幽灵的存在千真万确,甚至不惜派“悟空”闯入天庭去探查它的真面目呢?

因为万有引力。

 牛顿未必被苹果砸过脑袋,但万有引力却是实实在在的。

额外引力

传说中,砸在牛顿脑袋上的苹果让他悟出一个真谛——使苹果从树上掉落的力量,同样牵引着日月星辰在天空中依序运转。

任何东西,只要拥有质量,彼此间就存在一种羁绊,使它们相互吸引。这种羁绊称为引力,是宇宙中唯一能够远距离影响天体运行的力量。天体在宇宙中如何运行取决于它受到了多少引力,而所受引力又能反映出有多少物质蕴藏在它的周围。

举个例子,天王星被发现不久,就有人发觉,跟理论推算的轨道相比,它的位置总是出现偏差。就算考虑了当时已知的所有天体对它施加的吸引,也仍然有额外的引力在偷偷干扰它的运行。有人据此推断,太阳系里必定存在一颗当时还未知的行星,在特定的位置上施加了额外的引力。果然,没过多久,海王星就在预测位置上被发现了。万有引力定律因此深入人心。

在我们的宇宙里,暗物质的数量比普通物质多得多,然而我们对暗物质的本质一无所知。图片来源:American Museum of Natural History

然而,自上世纪30年代以来,在规模远大于太阳系的宇宙尺度上,天文学家发现有越来越多的天体运行规律,就算把所有看得见的物质全都算上,也仍然需要有额外的引力才解释得通。

在银河系级别的旋涡星系里,千亿颗恒星绕着星系中心快速运转。这些恒星速度之快,要是没有额外的引力,它们会被甩到星系以外,令整个星系分崩离析。

在规模更大的星系团中,星系间弥漫着能够辐射出X射线的高温气体。这些气体温度之高,要是没有额外的引力,它们早该消散在宇宙空间而成不了形了。

甚至,在宇宙演化早期,要是没有额外引力的参与,普通物质也不会如此快速地聚集成团,形成如今我们看到的宇宙大尺度结构。

天王星受到的额外引力,让天文学家推断出了尚未发现的海王星。同样,整个星系、星系团,甚至整个宇宙受到的额外引力,让天文学家相信,宇宙中必定存在某种未知的物质,数量比普通物质更多,能够产生足够的额外引力。

由于看不见也摸不着,天文学家把这种未知的物质称为暗物质。

如果没有额外的引力,旋涡星系里的恒星会被甩到星系以外,令整个星系分崩离析。图片来源:astro.wsu.edu

露出马脚

跟当年很快就被人找到的海王星不同,暗物质提出几十年来,对于它到底是什么,我们仍然一无所知。

理论学家推测,就像普通物质由一系列基本粒子构成一样,暗物质可能也由一大类粒子构成。虽然这些粒子看不见也摸不着,但某些理论预言,在一些特殊情况下,这些隐身的粒子可能会露出马脚。比如,当两个暗物质粒子狭路相逢时,它们可能会相互湮灭,产生出伽马射线和一系列并不隐身的高能粒子。

在地球大气层外,宇宙空间里充斥横冲直撞的高能粒子,称为宇宙线。这些粒子的来源始终成谜,或许大都来源于普通的高能天体物理过程,但也有可能,其中一部分来源于暗物质粒子的相互湮灭或者衰变。源于暗物质的高能粒子,特别是正负电子,或许会在电子宇宙线的总能谱上留下独特的印迹。这正是“悟空”的的首要科学目标。

“悟空”的火眼金睛,其实就是一台宇宙线望远镜,自上天以来,便持续不断地记录着来自宇宙的高能粒子。在运行的头530天里,“悟空”一共记录到28亿个高能粒子,从中分辨中150万个高能电子,测量了它们的能量和来源方位。从这些数据中,科学家试图找出暗物质粒子湮灭的关键证据。

暗物质卫星结构图,从上到下依次是塑闪阵列探测器,硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。图片来源:dpnc.unige.ch

看见拐折

早在“悟空”上天之前,科学家就在宇宙线里的高能电子中察觉到了一些异常。比如丁肇中领导的阿尔法磁谱仪就发现,在粒子能量超出某个数值(10GeV)时,宇宙线里正负电子的比例大大超出理论模型的预期,似乎可以用暗物质粒子湮灭加以解释。

如果真是暗物质粒子湮灭,那么理论上来说,它所产生的高能电子就将存在一个能量上限,具体数值与暗物质粒子本身的质量有关。超过这个能量上限,高能电子的数目就将出现陡峭下跌,从而在宇宙线能谱中出现一个拐折。然而,不论是丁肇中的阿尔法磁谱仪,还是后来美国的费米空间望远镜,对高能电子都只能测量到最高1万亿电子伏特(1TeV),没有在能谱中发现任何拐折的迹象。

相比之下,“悟空”的火眼金晴对高能电子能量的测量,最高能达到10TeV,是阿尔法磁谱仪和费米望远镜能量上限的10倍,就此打开了1TeV以上高能电子宇宙线观测的新窗口

“悟空”首次发布的高能电子宇宙线能谱(红色)。作为对比,绿色和蓝色分别是阿尔法磁谱仪和费米空间望远镜的数据。“悟空”打开了1TeV以上高能电子宇宙线观测的新窗口,首次直接观测到了电子能谱出现了拐折。图片来源:悟空号合作组

结果也不负众望。根据今天公布的首批数据,在“悟空”看到的高能电子能谱图上,预期中的拐折第一次确凿无疑地显现了出来。以0.9TeV的能量作为分界,左侧电子的数目变化相对平缓,右侧却要陡峭得多。

如果这一拐折真由暗物质粒子产生,理论上科学家甚至可以根据拐折的形状,推断出暗物质粒子的一些特性。比如它们并不是直接湮灭成正负电子对,而是先湮灭到正负μ子,再衰变到正负电子。

不过,直接观测到这一拐折,还称不上是暗物质粒子存在的确凿证据。毕竟,其他天体物理过程,比如脉冲星周围的高能现象,也有可能产生形状平缓的类似拐折。这一拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,对于判定能量低于1TeV的电子宇宙射线是否来自暗物质起到了关键性作用。

半个身影?

推开一扇新的窗口,除了看到预期中的美景之外,我们往往还会留意到一些意料之外的惊喜。“悟空”也是如此,除了拐折,似乎还隐隐看到了这个暗物质幽灵留下的半个身影。

在1TeV的能量之上,也就是在拐折的右边,高能电子的数目已经开始陡峭下跌。然而,就在1.4TeV处,高能电子的数目却多得异乎寻常,高高跳到了拟合曲线之上。似乎在附近很狭窄的能量范围之内,宇宙线中高能电子的数目出现了一个尖锐的峰值。

“悟空”数据里这个离经叛道的奇异数据点,暗示了暗物质粒子可能存在的新证据。图片来源:悟空号合作组

如果这个异常数据是真实的,那必将是一个重大发现,因为能够发出高能电子形成如此尖峰信号的天体,必然极其特殊。首先,这个天体必须靠近地球,只能有大约几百光年,因为这么高能量的电子无法在宇宙中传播更远的距离。其次,它发出的高能电子能量必须要几乎完全一致,在地球上只有经过精细调节的大型加速器才能达到类似的水平。

甚至,有理论学家提出了新的暗物质粒子模型,让它们聚焦在地球附近,可能是自己成团,也可能是被某个中等质量原初黑洞吸引,通过碰撞湮灭来产生能量一致的高能正负电子,试图通过这种不可思议的模式来解释这个尖峰。

当然,现在就来解释这个尖峰,还有点为时过早。今天公布的首批数据,只是“悟空”在运行的头530天里采集到的。由于宇宙线里的高能粒子存在随机性,明显离经叛道的数据点也可能只是统计涨落,未必就是真实信号。好在,“悟空”健康状况良好,预计可以在太空继续服役3到5年,采集更多高能电子宇宙线的数据。或许只有到了那时,才能确切判断这个尖峰是否真实。

至于暗物质粒子被发现的捷报,或许还需要等待更长久的时间吧。

热门评论

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全部评论(14)
  • 1楼
    2017-11-30 08:42 蓑雨吟

    暗物质人。。。😂

    [0] 评论
  • 2楼
    2017-11-30 10:52 喜欢新玩意儿_28941

    是不是我天朝要来一次“科技大跃进”了呀?

    [4] 评论
  • 3楼
    2017-11-30 12:56 在雨夜

    总想知道:暗物质在宇宙中的分布是均匀的吗?

    [0] 评论
  • 4楼
    2017-11-30 14:00 天降龙虾
    引用@在雨夜 的话:总想知道:暗物质在宇宙中的分布是均匀的吗?

    肯定不是。。。它有质量,肯定会受到引力扰动,不可能是均匀的。。。。

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-11-30 17:07 DimensionZero
    引用@在雨夜 的话:总想知道:暗物质在宇宙中的分布是均匀的吗?

    而且无穷且均匀的物质对其他物质的引力互相抵消_(:з」∠)_相当于没有引力

    [0] 评论
  • 6楼
    2017-11-30 18:34 地球上的裸猿
    引用文章内容:比如,当两个暗物质粒子狭路相逢时,它们可能会相互湮灭,产生出伽马射线和一系列并不隐身的高能粒子。

    湮灭,湮灭,不停地湮灭,那按道理说,暗物质会越来越少,

    暗物质会不会有个机制来产生它呢?

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-11-30 19:24 北风西吹

    看了个锤子,就会吹牛逼

    [2] 评论
  • 8楼
    2017-11-30 22:57 qufuliao
    引用@地球上的裸猿 的话:湮灭,湮灭,不停地湮灭,那按道理说,暗物质会越来越少,暗物质会不会有个机制来产生它呢?

    恒星也在不停的聚变反应啊……

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-12-01 15:21 沧海一珠

    这方面我不懂,开个脑洞,有没有可能是万有引力定律在某些情况下是不成立的呢?

    [0] 评论
  • 10楼
    2017-12-02 11:37 不靠谱的人

    各位贤达,大家好!关于这个问题,我们能否换个方向来思考,现在所要寻找的暗物质会不会是宇宙自然存在的一种净空力。

    下面是我对宇宙中各种物质形成的构思,认为宇宙主要是由下面三种成分构成:光子,光阻和净空力。光子与光阻是无质量物质,净空力是一种充满宇宙空间、又容不得有质量物质、对有质量物质具有排斥的单极力。
    净空力自古至今充满着整个宇宙空间,其力的大小与被包围的物质质量成正比 。净空力它只对物质形成包围挤压,并不阻碍物质在其充满的宇宙空间的自由运动。

    光子和光阻若不相互阻碍,它们都可以无限速地在充满着净空力的宇宙空间活动。

    当光子与光阻的相遇可结合成微微的有质量物质微粒,而净空力却容不得有质量的物质,如若有退路的话,这些物质会被净空力舜间赶得无影无踪,由于无路可循,净空力就把光子与光阻相遇结合成的有质量物质挤压包围起来,成为宇宙空间的物质微粒并在宇宙空间中漂移。

    被净空力包围的物质微粒在漂移中又将会碰在一起,而净空力的挤压包围产生的揉合力及微粒已经产生的万有引力二者的合力,使得凑在一起的某些微粒发生物理或化学反应组合成一些新的物质颗粒,......。这样亿年复亿年,丰富多彩的地球,太阳,星系就出现在大家的眼前。
    小插曲:寒冷地带的朋友都喜欢堆雪人,而雪人的形成主要就是由很微小的氢氧合物再加上冻的环境来促成的。如果在宇宙某个空间氢氧合物充分,冻的环境是几万年,几亿年,加上氢氧合物的相互引力和净空力的揉合,不用你们动手,那里必将产生一个雪的星球。雪球里若含有其它元素,如果发生环境变化,物理反应,或化学反应,那可能就是我们现在看得到的天体。

    [1] 评论
  • 11楼
    2017-12-03 15:53 GraveDiggaz

    孙大圣的斗篷飘展的方向和云彩的尾巴的方向为什么是反的?

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-12-05 12:38 literry
    引用@GraveDiggaz 的话:孙大圣的斗篷飘展的方向和云彩的尾巴的方向为什么是反的?

    说明猴子是把云往后踩的,这样他才能前进。

    [0] 评论
  • 13楼
    2017-12-06 19:16 夏目滉礼

    日常浏览这些文章

    都妄图永生

    所有永生之酒

    千年风华梦录

    便由我来书写

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-12-06 19:18 夏目滉礼
    引用@夏目滉礼 的话: 日常浏览这些文章都妄图永生所有永生之酒千年风华梦录便由我来书写

    是若有😂不是所有,,,

    [0] 评论

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