暗物质卫星“悟空”：漫漫取经路
经过三个月的太空漫游，我国首颗暗物质探测卫星“悟空”开始巡天执行任务。3月17日，暗物质粒子探测卫星在轨交付仪式上，“悟空”正式交付给用户单位中国科学院紫金山天文台，之后科学家将与“悟空”一起寻找暗物质。
暗物质探测卫星由中国科学院微小卫星创新研究院总研制，系统总设计师李华旺说：“就拿电视机来比喻，我们负责制造电视机，质检合格出厂，交由用户使用，我们负责售后服务，至于怎么用就看用户的了。”
暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进表示，到目前为止，卫星在天上工作了85天，搜集了4.5亿个高能粒子，覆盖了三分之二天区。“我们要测量电子、伽马质子等，现在探测器完全能够满足所有的科学目标。我需要一定的时间，获取一定量的高能粒子，才能告诉大家有没有探测到暗物质粒子，暗物质粒子在天上的什么地方。”
暗物质探测卫星和应用型卫星不同，是我国发射的第一颗科学实验卫星。“科学实验卫星上天之后要有科学产出，提供科学知识。”中国科学院国家空间科学中心主任吴季说。据他介绍，今年我国将陆续发射量子科学实验卫星、实践十号卫星、硬X射线调制望远镜卫星等科学实验卫星，“我国空间科学正在进入历史上最好的发展时期”。
“选择空间科学卫星的研究目标非常重要，其成果只有世界第一，没有中国第一。空间科学卫星的目标由科学家来定，而不像应用型卫星目标由用户来定。”吴季介绍，2011年1月，中国第一个空间科学卫星计划“空间科学战略性先导科技专项”正式启动，首批空间科学卫星遴选项目时重点考虑两个方面：一是科学产出的重大性，即是不是重大前沿，能否实现重大突破；二是考虑它的带动意义，是不是能广泛地带动学科的发展，带动更多的科学家参与数据分析。
暗物质探测卫星成为“空间科学先导专项”发射的第一颗实验卫星。为什么要这么迫切地去寻找暗物质呢？
所谓暗物质，是指不发射任何光及电磁辐射的物质，目前人们只能通过引力产生的效应得知其存在。长期以来，暗物质和暗能量都被认为是笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”。天文学家推测，宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙的25%，暗能量占70%，通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。也就是说，我们的宇宙大部分由看不见的物质组成。“宇宙中所占比例最多的东西反而是人类最迟也最难了解的，至今仅知道它们的存在，但还不清楚它们的性质。”科学家认为，暗物质是宇宙大爆炸的产物，在宇宙演化中起着决定性作用，同时也决定着宇宙未来的命运。
“按照现有的粒子物理标准模型，科学家预测到61种基本粒子，这61种基本粒子都找到了，包括前些年找到的‘上帝粒子’（希格斯玻色子），但是暗物质粒子的物理性质和这61种粒子不吻合，现有的物理知识无法解释暗物质。如果我们探测和研究暗物质粒子，很可能会导致物理学的革命性突破。”常进说，“如果能揭开它们的秘密，就有可能解决宇宙之谜。”
为此，暗物质成为当今科学界面临的最前沿问题之一，目前中国和世界多个国家已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目。“悟空”自2015年12月发射升空起就备受关注。国家空间科学中心的数据显示，“悟空”是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。“悟空”预计在轨工作3年，前两年主要进行巡天观测，后一年根据前两年的观测结果进行定点扫描探测。常进说：“目前数据分析正在进行中，预计今年底将公布首批科学成果。”
暗物质是什么
那些看不见的东西才是天空真正的秘密。
了解一些你看不见的东西是很难的，暗物质既不发光也不吸收光，和光没有任何相互作用。它所谓的“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。
但是科学家知道它们存在。上世纪30年代，加州理工学院教授弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）观看邻近的星系时发现了一些奇怪的东西。他研究星系团的运动，对星系团里有多少物质做了估算，然后对比人们能看到的物质数量，结果发现那些星系都转得太快了，如果仅仅用它们内部所含的物质来计算，巨大的离心力应该早就让它们分崩离析。如果宇宙中的每一个星系都像一个旋转木马，它们转动得太快，上面坐着的游客们应该都会飞出去才对。
所以其中一定有其他物质在影响星系的运动，那是什么呢？兹威基敏锐地指出，这些物质不能被直接观察到，但却同样能够产生引力作用，从而帮助将星系聚集在一起而不至于被撕碎。1933年，他成为第一批真正了解暗物质存在意义的人，称其为“迷失的物质”。
这个革命性的想法一开始却被大大忽视了，人们尊重兹威基，但没人愿意认真对待他的观点。他的伟大洞察和理论都被搁置一旁，无人问津。当时人们认为他是个疯狂的理论家，有劲没处使，所以才发明这么一种全新的物质出来。
兹威基的测量基于星体和星系的物质数量，但是怎样衡量太空中的物质数量？虽然无法直接测量太阳，但可以测量行星围绕太阳旋转的速度，太阳的质量越大，行星想要留在它的轨道，旋转速度就要越快。
牛顿和爱因斯坦都认为，一个物体的质量越大，万有引力就越大；一个物体离中心越远，它在轨道里就运行得越慢，因为万有引力变小了。就拿太阳系来说，水星的运行速度相比海王星来说更快，因为水星离太阳更近。同样的，对于一个星系你可以预期，如果距离越来越远，物体运动速度就会越来越慢，以维持在正常的轨道。但事实上，外围恒星运动的速度远远超出了预期。
兹威基没有意识到这一点。50年后，一个叫维拉·鲁宾（Vera Rubin）的年轻女科学家在观测类似银河系的星系旋转曲线时发现，越来越远的气体和尘埃的轨道运行速度始终保持不变。如果一个城市是一个星系，道路上的车辆是一颗恒星或者行星，不管道路交通多繁忙或者其他因素多复杂，每一辆车都以相同的速度穿梭在城市里。她又观测了其他星系，发现也是同样的情况。鲁宾由此认为，宇宙中存在着我们看不见的物质，为弥散于星系各处的气体提供着引力。
“地球附近也有大量的暗物质。天文学家发现，银河系里成千上万颗恒星的实际观测速度要大于理论上的速度。太阳的速度理论上是每秒160公里，但是现在观测太阳的速度大概是每秒240公里。如果不存在暗物质的话，太阳系就应该处于银河系的更外围，而不是现在这个位置。”常进说。
科学家分析了上百个星系，都有同样的形状，运转速度都太快了，需要暗物质把它们保持在一起。这时，科学家开始注意到这个问题，什么是暗物质，如何在太空中找到一些看不到的物质？
被称为引力透镜的效应为暗物质提供了更多的证据。如果有一大团物质，例如星系团恰好位于一个遥远光源的前方，那么前景天体就能弯曲从其附近经过的背景光，由此会产生一系列的光弧，把这些弧线连接起来就会形成一个“爱因斯坦环”。质量越大，它对光线的弯曲量越大。然而，在星系团中没有足够的可见物质能产生出我们所观测到的弯曲，于是，那里必定隐藏着不可见的额外质量。
暗物质的存在似乎突然间被揭开了。一旦暗物质出现，科学家又怀疑它是不是一种新的没有被发现的粒子，还是一般的看不见的物质。最初，科学家认为它和组成你和我的物质一样，但是不会发光。
科学家设想宇宙里不会发光的哪些物质可能会是暗物质。黑洞有可能是，它不会发光，可以透过引力透镜发现；隐藏在银河系晕轮里的大质量致密天体可能是，它们可以通过引力透镜观测，但它们的质量还不足以描述暗物质的数量；褐矮星同样是怀疑的对象，它们数量足够多。除此之外，暗物质的候选者还有中子星、自由行星、白矮星和非常微弱的红矮星和大质量弱相互作用粒子（WIMP）。
无论暗物质是什么，它们的数量和质量都比恒星和行星的普通物质多上10倍。所有由原子、质子、中子组成的物质，数量都比不上科学家在星体和星团中所观测到的物质的数量。
科学家继续寻找新的可能性，继续研究暗物质，以前发现的奇异粒子，例如中微子成了他们的研究对象。像暗物质一样，每次数以百万计的中微子穿过地球，但是它们太轻了，没有办法解释暗物质对万有引力的影响，而且科学家可以在粒子碰撞实验中产生中微子。
在考虑了所有的可能性后，许多科学家相信暗物质是一个新的奇异粒子，和地球上的物质完全迥异。每秒有数十亿暗物质经过我们，但从来不和普通物质发生碰撞。如今，我们知道暗物质是一些笨重的物质，速度不是很快，我们看不见它，它对我们没有影响，和普通物质也不产生相互作用。
目前，对于暗物质是什么，最普遍接受的想法是一些叫作大质量弱相互作用粒子的物质。大质量弱相互粒子对大颗粒的作用力很小，它们的特性和暗物质的可能性很接近。
寻找暗物质
对于这些擅长隐身的暗物质粒子，如何才能找到它们呢？
“如果理论上知道它是什么东西，我们就能很容易地把它找到。通俗地讲，我们去找一个人，只知道这个人可能存在，但是这个人穿什么衣服、长什么样子，我们根本不清楚，只能通过排除法，或者说一步一步筛选，从一些可疑的迹象筛选。”常进说。
目前，人类用来捕捉暗物质的方法仅有三种，可以形象地称之为“上天、入地、对撞机”。目前国际上有欧洲核子中心的大型强子对撞机、安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪，以及美国航空航天局的费米太空望远镜等设备在寻找暗物质，但目前找到的都还只是一些“疑似证据”。
其中，“上天”是间接探测方法，即捕捉暗物质互相碰撞、湮灭时产生的痕迹。当一对暗物质粒子偶然相撞的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能会发现暗物质粒子的踪影。
我国发射的暗物质粒子探测卫星，采用的也是间接探测的方法。“暗物质卫星只是瞄准暗物质可能产生的一种现象，也就是暗物质粒子湮灭或者衰变的时候会产生一些高能粒子，这叫间接法。至于间接法能不能找到暗物质，我现在也不知道。我知道的是，尽管暗物质粒子探测器最主要的目标是去找暗物质，但是这个探测器本身就是一个望远镜，一旦打开这扇新的窗户，必然有很多新奇的现象。究竟这个新奇的现象是捕捉到了暗物质，还是其他的一些新的天文、物理现象，我们还不清楚。”常进说。
“入地”则是一种直接探测的方法，该方法是直接探测暗物质粒子和普通原子核碰撞所产生的信号。比如美国低温暗物质搜寻计划（CDMS），位于明尼苏达州地下800米深的一个废弃矿井，费米实验室在此设计了一个探测器可以探测暗物质。暗物质就在我们身边流动，任何动静也没有，很小的概率它会撞上探测器感应装置原子的原子核，那就是科学家希望看到的。
位于我国四川的锦屏极深地下暗物质实验室也是如此，这是我国首个用于开展暗物质探测等国际前沿基础研究课题的极深地下实验室，其上方有厚达2400米的岩石层，可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。
“对撞机”则是在加速器上将暗物质粒子创造出来，并研究其物理特性。常进说，由于暗物质粒子即使被创造出来，也不会被探测器发现，只能通过其他可以看见的粒子来推测出是否有暗物质粒子产生。虽然暗物质粒子不能被直接观察到，但它一定会带走“能量”，即创造暗物质粒子需要能量，因此从丢失的“能量”和分布可以推测暗物质的某些性质。目前，欧洲核子中心的大型强子对撞机被认为很有可能创造出暗物质粒子。
“这三种方法互为补充，可以互相印证。如果我们在天上找到一种暗物质粒子，质量超过现有加速器的能量上限，那么加速器的能量就必须进一步提高。如果我们把暗物质的质量弄清楚了，会指导地下的直接探测实验修改他们的方案，比如现在清华大学、上海交大致力于寻找低质量的暗物质粒子，国际上一些组织主要探测大质量的暗物质粒子。如果我们准确地知道了暗物质粒子的质量，那地下实验就会变得比较明确了，究竟是找怎样的暗物质。”常进说，“至于暗物质卫星究竟能发现什么，还要等数据分析的结果。”
记者 曹玲