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1. 中国卫星“悟空”新发现的究竟是什么？

中国卫星“悟空”新发现的究竟是什么？

施郁

（复旦大学物理学系）

两个星期前，我参加了国外的一个暗物质国际会议，听了暗物质卫星“悟空”号首席科学家常进研究员的学术报告，成为最早听到他们成果报告的中国人之一。会议安排与会者夜游动物园，于是常老师和我一起寻找“暗物质动物”。

中国的暗物质卫星“悟空”号上天530天了。暗物质卫星通过探测电子能谱来寻找暗物质粒子，就是说，它探测的对象是电子，但是通过在各个能量电子的数量来推测有没有暗物质。如果某些能量的电子无法用其他来源解释，而只能用暗物质湮灭来解释，那么就是暗物质的迹象。

事实上，“悟空”所测量的电子能量范围比较宽，纯净度高，准确性高。数据包括150万个电子，从25GeV到5TeV （G代表1后面有9个0，T代表1后面有12个0），超出了AMS（丁肇中领导的放在国际空间站上的阿尔法磁谱仪器，测量范围不到1TeV）和Fermi探测器（2个TeV）。

测量结果显示了处于不同能量的电子的通量，在0.9TeV处有个拐折，然后在1.4TeV处有个峰。这是一个新结果。

是宇宙深处的电子和反电子，其能量之高，超乎人们的想象。是不是暗物质？用首席科学家常进的话来说“99.99%的可能，但也可能是超新星或者脉冲星加速机制产生的，因此还需要进一步积累数据才能够予以确认。”

但不管它是什么，这个发现意味着经典的物理学理论（这是上个世纪成型的标准模型），又到了将要更新的，新物理学的大门即将打开。

悟空暗物质探测卫星是通过探测宇宙射线里的高能成分，排除天体物理学其他来源，寻找异常高能的信号来探测，可能的暗物质来源。从上个世纪开始，对宇宙射线的研究，已经为人类研究粒子物理、获得对物质结构的理解，作出了重大贡献，产生了好几个诺贝尔奖。来自于宇宙的高能射线，也让我们知道宇宙当中存在许多暴烈的物理过程。对于他们的研究，我们可以知道遥远的宇宙当中存在的过程。

但是根据经典的物理学理论，由于高能射线和宇宙背景的碰撞，在这个TeV量级会出现能量截止。而暗物质模型预测的高能粒子也出现在这个位置。所以如果弄清楚这个位置是否有新的能量粒子出现，具体的谱线形状是什么样子的，那些高能粒子的具体形成机制是什么。可能寻找到来自于暗物质粒子碰撞产生的高能粒子（悟空号寻找的是产生的电子和反电子）。

悟空号暗物质卫星是以中国科学家为主进行研发和研究的。当然这个合作组，也包括来自于瑞士和意大利的科学家。在如今的大科学时代，国际合作组是很常见的，许多科学研究都需要来自于多个国家的技术支持和智力贡献。科学共同体的开放性，是共同推进科学进步的保证。

目前，是否真的是来自暗物质的信号，还需要继续积累数据才能确认，不过新物理学已经叩响了大门。

中国的暗物质粒子探测卫星“悟空”，在2017年11月公布的新发现，准确的说法是：国际上精度最高的电子宇宙射线能谱。

具体而言，其中最引人注目的有两个特征：一个是在1 TeV（eV是一个能量单位，意思是“电子伏特”，T是10的12次方，即1万亿。TeV就是下图中10的3次方的GeV，G是10的9次方）处的拐折（这个已经非常确定了），另一个是在1.4 TeV附近的尖锐的能谱（数据量还不够，尚待确认）。

悟空2017年11月公布的电子宇宙射线能谱

这些是发现了暗物质吗？

当然没有。

但是确实是一个重大的进步，朝着发现暗物质的方向迈出了一大步。

暗物质是一个理论设想，来自用广义相对论解释许多天文观测现象时的困难。人们发现，用可知物质的物质，不足以解释星系结构等许多观测结果。出于对广义相对论的信任，人们宁可相信，这是因为宇宙中有大量的物质是看不见的，它们的引力作用补上了缺额，这就是暗物质。

你也许会问，既然看不见，还怎么找？回答是：看不见只是说它们不发光，不参与电磁相互作用，但不意味着不参与任何的物理作用。无论如何，你仍然可以寻找它们发生作用后产生的次级效应，这可能反映在各个方面，有在天上的，有在地下的。悟空寻找的，就是天上的宇宙线方面的异常。

事实上，宇宙线的探测结果超出了已有理论的预测，这是早就知道的结果。丁肇中领导的国际合作项目阿尔法磁谱仪，就已经发现了许多这样的证据。但是，这些只是定性的证据，要确定暗物质是什么，就需要在更多的区域有更高的分辨率。

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