神秘信号解读:“悟空”找到暗物质了吗?

来源:新华网  11-30 13:03

  暗物质卫星艺术构想图(紫金山天文台提供)

  新华社北京11月30日电(记者喻菲屈婷)中国暗物质粒子探测卫星的首批探测成果发表在最新一期《自然》杂志上。那么这颗又名“悟空”的卫星究竟带领人类领悟了怎样的太空?

  近日,几位暗物质研究领域的科学家详细解读了悟空的探测结果,并对暗物质研究进行了展望。

  悟空发现了什么?

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说,悟空在世界上首次从太空中对最高能段的电子宇宙射线开展直接观测,成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果,首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在0.9TeV处的“拐折”,这对于科学家区分低于1TeV的电子宇宙射线是来自暗物质还是来自天体现象具有关键意义。

  他说,悟空现有数据中最出乎科学家预料的迹象是:电子宇宙射线能谱在1.4TeV处似乎存在一个“尖锐结构”,这可能预示着宇宙中存在“质量为1.4TeV左右的新粒子”或者“尚不为人知的单能态TeV粒子加速器”。如果这个精细结构最后能得以确证,这将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现,是超过现有教科书之外的发现。

  暗物质卫星首席科学家在新闻发布会上介绍“悟空”的探测结果。(喻菲摄)

  暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中说,丁肇中先生在国际空间站上的实验是类似的测量,一般认为精确测量能谱的下降行为非常关键,可以用来区分是不是暗物质。“悟空”把实验物理学家最关心的电子宇宙线能谱在1TeV附近怎样下降的行为测出来了,这是一个非常关键的突破。

  中科院高能物理所研究员毕效军说:“这次测量很有意义,这是人类第一次在空间实验上直接探测到电子能谱的‘拐折’,这有可能帮助大家更多地了解宇宙线电子的起源。”

  悟空探测到的信号是暗物质吗?

  范一中说:“我们不能说我们发现了暗物质,我们只能说在哪里发现了奇怪的现象,然后由理论物理学家去解释。”

  “我个人认为,低于1TeV的电子尤其是正电子大部分应该是来自天体物理现象,如果进一步测得更准,可能一些小结构与暗物质有关。现在我们更关心1.4TeV的这个数据点,这个突起的点太怪了,我们从来没有想到过天上会有这个家伙。如果这个信号被确认,那么意义重大。它也许意味着一种新粒子,就算不是新粒子,哪怕是天文现象也是从来没有人想到过的重大新发现。”范一中说。

  暗物质卫星科学应用系统副总师范一中在解读“悟空”探测结果。(喻菲摄)

  他说:“对于悟空号团队目前最重要的是收集到足够的数据来确认是否有这个能谱结构,我对此充满期待。”

  香港大学物理系与空间科学实验室副教授、最年轻的高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize获得者苏萌说,能谱上的“拐折”在一些科学家眼中已经是暗物质的一个重要信号了。但是即便把它测量精确一百倍,也不能肯定它就是暗物质,因为有其他天体物理的解释,暗物质只是一个可能。

  “但1.4TeV处的现象非常有趣,不过现在还只是看到了迹象,因为统计的置信度还不够高。”苏萌说。

  “如果这个信号真的存在,这是这种卫星所能看到的最像暗物质的信号了,但是即便如此,大家也只能说,太像了!咱们再努力看一看。谁都不能拍板说这是暗物质产生的信号,如果要确认是暗物质,需要不同的实验多方检验。”他说,“它或许是暗物质,也可能是天体物理起源,比如中子星也可能产生很高能量的电子,能不能排除,需要进一步研究,需要对天体物理背景有更深刻的理解。”

  香港大学物理系与空间科学实验室副教授苏萌(受访者供图)

  毕效军说:“如果随着卫星数据的增加确认这个信号是真的,那将具有非常重要的意义。这意味着存在一个1.4TeV的暗物质粒子或者我们附近存在一个可以把电子加速到单一能量的天体源。如果用暗物质解释,那和我们通常对暗物质的理解不太一样。它符合最流行的暗物质粒子模型,即弱相互作用大质量粒子(WIMP),但是具有比较特殊的性质。”

  距离确认发现暗物质还有多远?

  中科院院士陈和生说,暗物质探测主要包括上天、入地、加速器三种实验,即便这三种实验中的任何一种发现了暗物质候选粒子,要确认它就是暗物质也是极为艰巨的任务,三种实验或至少两种,必须相互验证,才能确认这种粒子的存在。

  苏萌说:“打个比方,之前大家都说在这个地方拍到照片就能捉到暗物质。现在悟空探测到的电子宇宙射线能谱,就像是拍出了这张照片,但大家发现还不能确定,为了不造成冤假错案,还需要收集更多证据,进一步锁定范围。”

  “期待用一颗卫星找到暗物质,就像期待买一张彩票就中超级大奖。”苏萌说。

  他说,“既然悟空探测到的信号存在暗物质和天体物理的可能性,就非常值得进一步开展实验测量,非常值得再研制一个更好的卫星。悟空的探测结果显然会深刻影响国际同行,欧美主要国家一定会开始讨论造卫星超过我们,这个能量段显然比以前人们期待的更丰富、更好玩、更有可能有‘金矿’。”

  寻找暗物质为什么重要?

  常进说:“暗物质现在不会影响你的生活,但是会影响我的生活,将来会影响你后代的生活。在100年前量子物理刚被发现时,人们认为一点用处都没有,但是现在我们使用的手机、电脑等等都跟量子物理有关。我们只有弄清楚暗物质的物理本质以后,才能说它对未来产生什么作用,但是物理的进步会导致科技的进步,这是百分百肯定的。”

  2015年12月17日长征二号丁运载火箭从酒泉卫星发射中心将“悟空”送入太空。(喻菲摄)

  陈和生说,粒子物理的“标准模型”正确地解释了几乎所有的实验现象,获得了18次诺贝尔物理学奖。然而暗物质和暗能量的存在使粒子物理学面临最严峻的挑战,标准模型只能解释宇宙中约5%的物质,却对宇宙的95%都一无所知——如同依然在瞎子摸象,或是坐井观天。

  “暗物质和暗能量是本世纪物理学面临的严峻挑战,也意味物理学面临重大突破的历史机遇。希望中国物理学家能够对暗物质这场革命作出重大贡献,这也是我们中国梦的一部分。” 陈和生说。

  苏萌说:在我看来发现引力波都没有找到暗物质重要,因为LIGO看到的是一个肯定要看到的信号,是爱因斯坦引力理论的直接预言,只是人类要花多大代价看到的问题。但是如果悟空能看到暗物质信号并且被确认,那是谁都没有想到,也没有预言过的。

  “在人类科学进程中,很少看到东方文化的影子。作为崛起的大国,中国发展到现在这个阶段,有能力和条件为人类文明进步做出贡献,在科学探索中留下中国人的脚印,我想这是中国科学家奋斗的意义和价值所在。”苏萌说。(实习生曹鹏远对此文有贡献)

热点新闻
“牛郎织女”教师隔山守望为了山里娃
把梦想做成现实 90后面包师的内心独白
废弃工厂藏巨型楠木"狮子王" 价值300万