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神秘信號解讀:“悟空”找到暗物質了嗎?
2017-11-30 08:37:32 來源: 新華網
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  暗物質衛星藝術構想圖(紫金山天文臺提供 )

  新華社北京11月30日電(記者喻菲 屈婷)中國暗物質粒子探測衛星的首批探測成果發表在最新一期《自然》雜志上。那麼這顆又名“悟空”的衛星究竟帶領人類領悟了怎樣的太空?

  近日,幾位暗物質研究領域的科學家詳細解讀了悟空的探測結果,並對暗物質研究進行了展望。

  悟空發現了什麼?

  暗物質衛星首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進説,悟空在世界上首次從太空中對最高能段的電子宇宙射線開展直接觀測,成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果,首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在0.9TeV處的“拐折”,這對于科學家區分低于1TeV的電子宇宙射線是來自暗物質還是來自天體現象具有關鍵意義。

  他説,悟空現有數據中最出乎科學家預料的跡象是:電子宇宙射線能譜在1.4 TeV處似乎存在一個“尖銳結構”,這可能預示著宇宙中存在“質量為1.4TeV左右的新粒子”或者“尚不為人知的單能態TeV粒子加速器”。如果這個精細結構最後能得以確證,這將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現,是超過現有教科書之外的發現。

  暗物質衛星首席科學家在新聞發布會上介紹“悟空”的探測結果。(喻菲攝 )

  暗物質衛星科學應用係統副總設計師范一中説,丁肇中先生在國際空間站上的實驗是類似的測量,一般認為精確測量能譜的下降行為非常關鍵,可以用來區分是不是暗物質。“悟空”把實驗物理學家最關心的電子宇宙線能譜在1TeV附近怎樣下降的行為測出來了,這是一個非常關鍵的突破。

  中科院高能物理所研究員畢效軍説:“這次測量很有意義,這是人類第一次在空間實驗上直接探測到電子能譜的‘拐折’,這有可能幫助大家更多地了解宇宙線電子的起源。”

  悟空探測到的信號是暗物質嗎?

  范一中説:“我們不能説我們發現了暗物質,我們只能説在哪裏發現了奇怪的現象,然後由理論物理學家去解釋。”

  “我個人認為,低于1TeV的電子尤其是正電子大部分應該是來自天體物理現象,如果進一步測得更準,可能一些小結構與暗物質有關。現在我們更關心1.4TeV的這個數據點,這個突起的點太怪了,我們從來沒有想到過天上會有這個家夥。如果這個信號被確認,那麼意義重大。它也許意味著一種新粒子,就算不是新粒子,哪怕是天文現象也是從來沒有人想到過的重大新發現。”范一中説。

  暗物質衛星科學應用係統副總師范一中在解讀“悟空”探測結果。(喻菲攝)

  他説:“對于悟空號團隊目前最重要的是收集到足夠的數據來確認是否有這個能譜結構,我對此充滿期待。”

  香港大學物理係與空間科學實驗室副教授、最年輕的高能天體物理學最高獎Bruno Rossi Prize獲得者蘇萌説,能譜上的“拐折”在一些科學家眼中已經是暗物質的一個重要信號了。但是即便把它測量精確一百倍,也不能肯定它就是暗物質,因為有其他天體物理的解釋,暗物質只是一個可能。

  “但1.4TeV處的現象非常有趣,不過現在還只是看到了跡象,因為統計的置信度還不夠高。”蘇萌説。

  “如果這個信號真的存在,這是這種衛星所能看到的最像暗物質的信號了,但是即便如此,大家也只能説,太像了!咱們再努力看一看。誰都不能拍板説這是暗物質産生的信號,如果要確認是暗物質,需要不同的實驗多方檢驗。”他説,“它或許是暗物質,也可能是天體物理起源,比如中子星也可能産生很高能量的電子,能不能排除,需要進一步研究,需要對天體物理背景有更深刻的理解。”

  香港大學物理係與空間科學實驗室副教授蘇萌(受訪者供圖)

  畢效軍説:“如果隨著衛星數據的增加確認這個信號是真的,那將具有非常重要的意義。這意味著存在一個1.4TeV的暗物質粒子或者我們附近存在一個可以把電子加速到單一能量的天體源。如果用暗物質解釋,那和我們通常對暗物質的理解不太一樣。它符合最流行的暗物質粒子模型,即弱相互作用大質量粒子(WIMP),但是具有比較特殊的性質。”

  距離確認發現暗物質還有多遠?

  中科院院士陳和生説,暗物質探測主要包括上天、入地、加速器三種實驗,即便這三種實驗中的任何一種發現了暗物質候選粒子,要確認它就是暗物質也是極為艱巨的任務,三種實驗或至少兩種,必須相互驗證,才能確認這種粒子的存在。

  蘇萌説:“打個比方,之前大家都説在這個地方拍到照片就能捉到暗物質。現在悟空探測到的電子宇宙射線能譜,就像是拍出了這張照片,但大家發現還不能確定,為了不造成冤假錯案,還需要收集更多證據,進一步鎖定范圍。”

  “期待用一顆衛星找到暗物質,就像期待買一張彩票就中超級大獎。”蘇萌説。

  他説,“既然悟空探測到的信號存在暗物質和天體物理的可能性,就非常值得進一步開展實驗測量,非常值得再研制一個更好的衛星。悟空的探測結果顯然會深刻影響國際同行,歐美主要國家一定會開始討論造衛星超過我們,這個能量段顯然比以前人們期待的更豐富、更好玩、更有可能有‘金礦’。”

  尋找暗物質為什麼重要?

  常進説:“暗物質現在不會影響你的生活,但是會影響我的生活,將來會影響你後代的生活。在100年前量子物理剛被發現時,人們認為一點用處都沒有,但是現在我們使用的手機、電腦等等都跟量子物理有關。我們只有弄清楚暗物質的物理本質以後,才能説它對未來産生什麼作用,但是物理的進步會導致科技的進步,這是百分百肯定的。”

  2015年12月17日長徵二號丁運載火箭從酒泉衛星發射中心將“悟空”送入太空。(喻菲攝)

  陳和生説,粒子物理的“標準模型”正確地解釋了幾乎所有的實驗現象,獲得了18次諾貝爾物理學獎。然而暗物質和暗能量的存在使粒子物理學面臨最嚴峻的挑戰,標準模型只能解釋宇宙中約5%的物質,卻對宇宙的95%都一無所知——如同依然在瞎子摸象,或是坐井觀天。

  “暗物質和暗能量是本世紀物理學面臨的嚴峻挑戰,也意味物理學面臨重大突破的歷史機遇。希望中國物理學家能夠對暗物質這場革命作出重大貢獻,這也是我們中國夢的一部分。” 陳和生説。

  蘇萌説:在我看來發現引力波都沒有找到暗物質重要,因為LIGO看到的是一個肯定要看到的信號,是愛因斯坦引力理論的直接預言,只是人類要花多大代價看到的問題。但是如果悟空能看到暗物質信號並且被確認,那是誰都沒有想到,也沒有預言過的。

  “在人類科學進程中,很少看到東方文化的影子。作為崛起的大國,中國發展到現在這個階段,有能力和條件為人類文明進步做出貢獻,在科學探索中留下中國人的腳印,我想這是中國科學家奮鬥的意義和價值所在。”蘇萌説。(實習生曹鵬遠對此文有貢獻)

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【糾錯】 責任編輯: 楊婷
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