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重磅!「悟空」發現疑似暗物質的蹤跡!

3月
24
2018

2018年3月24日18時 今日科學 新浪新聞

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據中國科學院公布,暗物質粒子探測衛星「悟空」有充分數據證實,在太空中測量到了電子宇宙射線的一處異常波動。這一波動此前從未被觀測到,意味著中國科學家取得一項開創性發現,且有可能與暗物質相關。該成果於北京時間30日由國際權威學術期刊《自然》在線發表。

在中國科學院紫金山天文台,「悟空」科學應用系統副總師範一中在介紹研究成果(11月2日攝)。新華社記者 金立旺 攝

「悟空」首席科學家、中科院紫金山天文台副台長常進介紹,電子宇宙射線的正常能譜變化應該是一條平滑曲線,但根據「悟空」觀測數據,在1.4萬億電子伏特(TeV)的超高能譜段突然出現劇烈波動,呈現一個「尖峰」。這表明,此處必然有一個全新的物理現象。

中國科學院大學常務副校長、中科院院士吳岳良介紹,在高能區看到的這個電子有尖銳的峰,表明有一個重的粒子在那邊衰變成這個電子,那麼這個重的粒子假如是真正一個粒子的話,那就變成一個新的粒子,那麼新的粒子它可能是暗物質,也可以不是暗物質,無論是不是,只要是一個新的粒子,證明了就是一個重大的發現。

這一現象是否就是科學家苦苦追尋的暗物質蹤跡?

常進表示,根據現有的探測數據量和理論模型,目前還無法做出斷定。但這一疑似暗物質的蹤跡,是近年來科學家離暗物質最近的一次重大發現,也將打開人類觀測宇宙的一扇新窗口。

中科院院士吳岳良分析,從目前數據分析看,這些「奇異」電子信號可能有兩個來源,要麼來自暗物質湮滅,要麼來自超新星遺蹟或是脈衝星。「從目前來看,來自前者的可能性似乎更有說服力。」

「『悟空』的最新發現,是引領性原創成果重大突破。」中科院院長白春禮說,如果後續研究證實這一發現與暗物質相關,將是一項具有劃時代意義的科學成果,即便與暗物質無關,也可能帶來對現有科學理論的突破。

一旦國際科學界進一步認可其來自暗物質起源,人類就可以根據「悟空」的探測結果獲知暗物質粒子的質量、湮滅率,以及太陽系附近的暗物質團塊分布等信息,這些都是以前無法得到的。

暗物質是什麼?發現暗物質的意義究竟有多重大?

當前主流科學界認為,人類已經發現的物質只占宇宙總物質量不足5%,剩餘部分由暗物質和暗能量等構成。由於暗物質無法被直接觀測,與物質相互作用也很弱,人類至今對它知之甚少。

暗物質的「真相」因此位列21世紀最重要的科學謎團之一。揭開暗物質之謎,被認為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學之後,人類認識自然規律的又一次重大飛躍。

面對誘人前景,科學家在全球展開競爭,試圖第一個找到暗物質的蹤跡。天上,把強磁場設備送進太空;地下,深入幾千米的大山建造實驗室……科學家使出渾身解數,用上了多種探測手段,國際上的相關實驗和設備多達數十個。

「『悟空』用的是探測高能宇宙射線的方式,尋找暗物質粒子湮滅的間接證據。」常進說,根據理論模型,暗物質湮滅會產生高能伽馬射線、高能電子等宇宙射線,一旦找到特定的高能宇宙射線,有望推斷出暗物質的「廬山真面目」。

三種途徑 捕捉神秘暗物質

神秘的暗物質,似乎無處不在,卻又至今沒人能證明真正捕捉到它。那麼,面對這些擅長「隱身」的粒子,科學家又是通過怎麼的方法來尋找它們呢?

途徑之一:加速器粒子碰撞 主動創造暗物質

一種辦法是主動創造這些粒子。如果我們把足夠高的能量濃縮在極小的空間體積之內,就像科學家在大型強子對撞機里進行的粒子碰撞實驗一樣,這些能量就會轉化為各式各樣的粒子四散奔逃。如果能量足夠高,理論上就有可能產生出暗物質粒子。而由於暗物質粒子是「隱身」的,無法被周邊的探測器記錄到。那麼,在科學家看來,這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果偵破了這宗能量失蹤案,就能為暗物質粒子的存在提供證據。

途徑之二:地下守株待兔 直接捕捉暗物質

另一種辦法是守株待兔。根據理論,暗物質會參與弱相互作用,就像是荒不擇路的兔子一樣,它們也有可能一頭撞上原子核這個「樹樁」。被暗物質粒子撞上的原子核會引起發光發熱的現象,或者被撞得偏離了原來的位置,這些都是科學家有可能探測到的。於是,科學家用了一個笨辦法,他們建設含有大量反應物質的探測器,等待過路的暗物質粒子碰巧撞上其中某個原子核。

途徑之三:太空間接探測 尋找暗物質湮滅物

還有一種辦法,那就是等這些隱身的粒子主動現身。有理論預言,當兩個暗物質粒子相遇時,由於互為反物質,它們便會湮滅,從而產生出高能的伽馬射線,或者產生出普通的正反粒子對。這就好像兩個隱身的人相遇的一瞬間,突然脫去了隱身斗篷,變成兩個普通人,甚至還發出了耀眼的光芒。如果科學家在暗物質集中的地方探測到了過量的伽馬射線,或者在宇宙中探測到了來源不明的大量反物質粒子,它們就有可能來源於反物質粒子的湮滅,從而給暗物質的存在提供間接的證據。

一圖告訴你,究竟什麼是暗物質?


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