12月17日，搭載暗物質粒子探測衛星的長征二號丁運載火箭升空

       2015年12月17日8時12分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將暗物質粒子探測衛星發射升空，衛星順利進入預定轉移軌道。此次發射任務圓滿成功，標志著我國空間科學研究邁出重要一步。

　　暗物質粒子探測衛星是中國科學院空間科學先導專項中首批確定立項研制的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星。它的主要科學目標有三個，分別是：

　　1）通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線尋找和研究暗物質粒子，在暗物質研究這一前沿科學領域取得重大突破；

　　2）通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；

　　3）通過觀測高能伽瑪射線，在伽瑪天文方面取得重要成果。

　　暗物質粒子探測衛星屬于大型空間高能觀測設備，它的工作軌道為高約500千米的晨昏太陽同步軌道。衛星根據任務需求采用BGO量能器結合硅陣列探測器和塑閃陣列探測器完成高能粒子能量、方向、電荷的測量，并以中子探測器提高電子與質子鑒別率。

　　暗物質粒子探測衛星是我國第一顆由中國科學院完全研制、生產的衛星。中國科學院國家空間科學中心負責暗物質粒子探測衛星工程大總體工作；衛星系 統由上海微小衛星工程中心負責抓總并承擔衛星平臺的研制，有效載荷由中國科學院紫金山天文臺負責抓總研制，中國科技大學、中國科學院高能物理所、近代物理 所、國家空間科學中心等參加；地面支撐系統由中國科學院國家空間科學中心牽頭負責地面支撐系統研制、建設和運行，對地觀測與數字地球科學中心等單位參加； 科學應用系統由中國科學院紫金山天文臺負責應用系統研制、建設、運行。用于發射的長征二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術研究院抓總。

　　暗物質和暗能量，被科學家們稱為“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”。目前，我國和世界各國已著手籌建或實施多個暗物質探測實驗項目，其研究成果將可能帶來基礎科學領域的重大突破。

　　中國已經成為航天大國，并要向航天強國轉變，就不能沒有空間科學衛星。科學對于一個國家來說是非常重要的，要想創新驅動發展，必須有知識。目前 在空間科學領域，中國還只是知識的使用國。中國要想實現創新驅動發展，必須要有創新的能力。暗物質粒子探測衛星的成功發射和在軌運行將有望推動我國科學家 在暗物質探測領域取得重大突破，對于推動空間科學衛星系列可持續發展，促進我國在空間科學領域的創新發展具有重大意義。

　　除暗物質粒子探測衛星外，空間科學先導專項系列衛星工程在近期還將陸續發射三顆衛星，分別是：量子科學實驗衛星、實踐十號返回式科學試驗衛星、硬X射線調制望遠鏡衛星。

　　出品：科普中國

　　制作：《科學世界》 雜志社

　　監制：中國科學院計算機網絡信息中心

　　你或許聽說過“暗物質”吧？我們都知道身邊的物質是由原子組成的，而原子又是由質子、中子、電子等粒子組成。那么，暗物質又是什么，由什么組成？它為什么那么重要，以至于各國科學家們，利用各種先進儀器，在地下深處或是太空中夜以繼日地追尋著它的蹤跡？

　　為什么說存在著暗物質？

　　既然我們身邊的事物都是由普通物質組成的，那為什么還會認為自然界中存在著暗物質這種東西？

　　天文學家們是從20世紀30年代開始意識到宇宙中存在著看不見的暗物質。1933年，瑞士的天文學家弗里茨?茲威基（Fritz Zwicky）對距離地球3.2億光年、由超過3000個星系組成的后發座星系團進行了觀測。

　　他采用了兩種不同的方法來測量星系團的質量。第一種方法是對大量星系的運動速度進行分析，因為速度與引力有關，所以可以間接估計出星系團的質 量。用這個方法得到質量稱為“力學質量”。另一種方法是通過星系團內星系的亮度來估計質量，因為恒星質量越大就越亮。這樣得到的質量稱為“光度質量”。按 說力學質量和光度質量應該相近，然而實際得到的結果是，力學質量比光度質量高了400倍左右！也就是說，力學質量里的絕大部分是我們看不到（不發光）的物 質。如果沒有這部分“看不見的物質”的作用，那么這個星系團的引力就不足以將其中的星系像現在這樣束縛在一起。

　　到了20世紀70年代，美國天文學家薇拉?魯賓（Vera Rubin）使用基特峰天文臺和洛厄爾天文臺的望遠鏡對距離地球約250萬光年的仙女座星系進行觀測。她利用多普勒效應測量了這個星系不同半徑處，圍繞著星系中心旋轉的氣體的運動速度。按說，離中心越近，引力越大，運動速度應該越快才能產生足夠的離心力，抵消掉引力的影響。就像離太陽越近的行星，公轉速度 就越大。但魯賓也發現了奇怪的現象：離星系中心不同距離處的氣體，圍繞中心旋轉的速度都差不多。她又觀測了其他星系，發現也是同樣的情況。魯賓由此認為， 宇宙中存在著我們看不到的物質，為彌散于星系各處的氣體提供著引力。

　　20世紀80年代，科學家正式提出了“暗物質”這個名稱?，F在普遍認為，組成星系團的質量中，星系只占了百分之幾，星系際介質約占20%，暗物 質的比例則高達70%~80%。暗物質的所謂“看不見”，不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見，而是說不論探測什么波段的電磁波，比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，都看不到它。也就是說，暗物質不發出任何波段的光。

　　被淘汰的暗物質候選者

　　暗物質到底是什么，現在還不清楚。我們先來看看科學家已經排除了哪些暗物質的“候選者”吧。

　　人們首先想到暗物質會不會是那些用光學望遠鏡很難發現的暗天體，例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天體加起來，也達不到星系總質量的10%，不足以扮演暗物質的重要角色。

　　那么，擴大范圍，暗物質是由原子組成的嗎？研究認為，由原子構成的物質也不足暗物質的1/5，依然無法滿足暗物質所需要的量。在宇宙的早期可能 存在小型的“原初黑洞”，它們不是從原子組成的恒星演化而來的，所以并不能將之從暗物質候選者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在現在還并不清楚。

　　子彈星系團是由兩個星系團碰撞而形成的?？茖W家利用引力透鏡研究其質量分布的變化發現，暗物質與其他物質幾乎沒有相互作用，在碰撞的過程中會相 互穿越而過。這個性質使人想到了中微子，它既不是原子組成的，也很難與其他物質發生相互作用，而且中微子數量龐大，每秒鐘都會有上百萬個中微子穿過我們的 身體。那么中微子是不是暗物質呢？

　　20世紀70年代，科學家提出，宇宙中如果只有“可見物質”的話，那么從宇宙誕生至今的這段時間里，就來不及形成現在所觀測到的宇宙中的某些結 構。1985年，英國蘇塞克斯大學的卡洛斯?弗倫克（Carlos Frenk）團隊提出，暗物質對于宇宙中恒星和星系等小結構的產生起到了重要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物質會聚集得多一些，所以引力更強， 暗物質就更易積聚，密度漸漸變大；接下來，由原子組成的物質（氣體）也被引力拉過去，很快進一步坍縮，生成恒星和星系等結構；然后，一些星系進一步匯集， 形成星系團。就這樣，在暗物質的作用下，從星系到星系團，一步步形成了宇宙中的大尺度結構。

　　但是上述方案的成立是有條件的，就是暗物質必須是很“冷”的，這意味著它們是由低速的粒子構成的。計算顯示，如果運動的速度太大，粒子彌散的范 圍太廣，星系這樣的小尺度結構就難以形成了。而中微子是以接近光速運動的“熱”粒子，加上它的質量也太小，因此也被從暗物質的候選者中排除了。

子彈星系團

　　這是NASA的哈勃太空望遠鏡與錢德拉X射線天文衛星、拉斯坎帕拉斯天文臺的麥哲倫望遠鏡捕捉到的子彈星系團（1E0657-556）的合成 圖。在子彈星系團內，兩個星系團以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射線觀測到的星系際氣體的分布。藍紫色代表星系團的質量分布，這也可以認 為就是暗物質的分布。這個質量分布是利用子彈星系團背后的天體所發出的光被星系團的引力效應彎折的現象推算出來的。可以看出，氣體發生碰撞后停留在中心， 暗物質則互相穿過。（圖：NASA等）

　　暗物質的必要條件

　　現在我們來總結一下，看看要成為暗物質，都需要滿足哪些條件：

不發出任何光

幾乎不與任何物質發生碰撞

在宇宙早期時速度幾乎是零

宇宙中存在的量大約是可見物質的5倍

　　科學家認為，滿足上述條件、有希望成為暗物質的基本粒子有兩種：中輕微子（neutralino）和軸子（axion）。中輕微子是一種理論上預言的粒子，尚未被發現。它不帶電，質量是質子的1000倍左右，因為質量大所以運動得很慢。它既不發光，也很少與其他物質發生碰撞。在宇宙中的數密度平 均是1000立方米1個。軸子也是一種理論上預言的粒子，它的質量非常小，大約只有質子的100萬億分之1。假如軸子就是暗物質的的話，數密度可以達到 1000立方米1017個。從宇宙早期誕生時開始，軸子的速度就幾乎為零，這是因為它幾乎不與其他粒子發生碰撞，也就無法得到能量。

　　尋找暗物質

　　暗物質是現代天文學和物理學的一大謎團。世界上有很多科學團隊在試圖找到它。實際上，暗物質本身我們根本無法捕獲，只能從它與其他物質偶然發生的碰撞所產生的蛛絲馬跡，來捕捉它的身影。

　　最直接的方法就是捕捉暗物質與某個原子核相碰撞時發出的信號。例如我國的錦屏極深地下暗物質實驗室，位于四川雅礱江錦屏山的隧道內，上方有厚達 2400米的巖石層，可以將穿透力極強的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一，為探測暗物質提供了一個幾乎沒有干擾的環境。實驗室使用的是我國自主設計的高純鍺探測器，測量暗物質粒子與鍺晶體碰撞時產生的熱。加拿大、美國、意大利、日本等國也建有尋找暗物質的地下實驗室。

錦屏極深地下暗物質實驗室是世界上巖石覆蓋最深的實驗室

　　還有間接探測暗物質的方法，就是捕捉暗物質對互相碰撞、湮滅時產生的痕跡。當一對暗物質粒子偶然正碰的時候，會同時湮滅，可能會放出質子、電子 及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能會發現暗物質粒子的蹤影。例如丁肇中教授主持的阿爾法磁譜儀（AMS）實 驗，就是在太空中高精度地探測反物質粒子的能譜，有可能發現暗物質的蹤影。2011年5月19日，奮進號航天飛機將重達6.7噸的AMS-02探測器運送 到國際空間站上，展開探測。我國有多個研究單位參與了這一項目。

國際空間站上的阿爾法磁譜儀實驗（照片中上部）

　　中國科學院計劃于2015年底左右發射一顆暗物質探測衛星，進行暗物質間接探測實驗。這顆衛星既能探測正負電子，又能夠觀測高能伽馬光子，而且具有較好的能量分辨率，希望能捕捉到暗物質的蹤跡。

中科院的暗物質衛星

　　除了捕捉暗物質，科學家們還試圖人工制造出暗物質，例如中輕微子。目前最有希望制造出中輕微子的就是位于瑞士日內瓦郊外地下的“大型強子對撞 機”（Large Hadron Collider，LHC）。2012年，科學家正是用LHC發現了被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子。

　　暗物質占宇宙組成的大約23%，另一種神秘的東西——暗能量占到了大約73%。也就是說，這個宇宙96%的組成我們都還不清楚到底是什么。暗物質是恒星、星系等天體形成的種子，暗物質是什么，直接關系著我們自身的起源。暗物質之謎的解開，也將是粒子物理學的一次飛躍。

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