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“悟空”取得重大突破!它要探测的“暗物质”原来这么神秘!

2018-02-18  卢易白

本文综合《知识就是力量》杂志

《天体物理奇景:暗物质与暗能量》一文

(撰文/李庆康)、果壳科学人

2015年12月17日,中国自己的暗物质粒子探测卫星“悟空号”成功发射,发射的目的就是让它去寻找宇宙中一种既看不见也摸不着的神秘东西——暗物质。

而就在今天刚出版的《自然》(Nature)杂志上,发表了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果——成功获得目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。其中的数据表明,宇宙空间中存在着“能量为1.4万亿电子伏左右的新物理粒子”。

图为“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色数据点),以及和美国费米卫星测量结果(蓝点)、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)的比较。中科院供图

简单的说,就是“悟空号”可能不负众望的首次发现了暗物质,而且是世界首次。

那么,暗物质是什么,我们发现了它为什么会这么高兴呢?下面知力君就来跟大家把前因后果说清楚。

追寻暗物质之旅

1932年,奥尔特(Oort Jan Hendrik,荷兰天体物理学家)指出,要解释银河系中恒星的轨道速度,需假定太阳附近存在着暗物质。

1933年,兹威基(Fritz Zwicky,瑞士天文学家)观测室女星系团中的运动,认为星系团中存在大量暗物质。

1939年,巴布科克(Horace W. Babcock,美国天文学家)得到的星系旋转曲线是暗物质存在的强有力的证据,但很遗憾他未将它归因于暗物质。

20世纪60-70年代,鲁宾(Vera Rubin, 美国天文学家)和福特(Kent Ford, 美国天文学家),首先利用星系旋转曲线这一强有力的证据深入研究了暗物质。

后来,很多观测结果表明:宇宙中不仅存在暗物质,而且是普通物质的若干倍。 无论暗物质在宇宙中什么地方集结,普通物质都会如影随形。普通物质在暗物质压倒性的引力作用下,会无可抗拒地被吸引过去。这些普通物质形成了恒星、星系等。

星系团CL0024+17照片(暗物质是看不见的,基于引力透镜效应现象,图中的蓝色环带正是暗物质)

物理学天空的“乌云”

那么,暗物质是什么?暗物质是如何形成的?暗物质是如何演化的?目前,这些问题把所有科学家都难住了。

如要彻底回答第一个问题,必须直接找到暗物质才能知道它是什么。根据已有的观测证据,科学家指出暗物质是一种在宇宙年龄尺度上稳定,不带电荷,参与引力相互作用,但几乎不参与电磁和强相互作用,目前尚未被认识的一种新物质。

既然暗物质几乎不参与电磁和强相互作用,所以直接找到它是极为困难的。但科学家猜想,暗物质可能会与普通物质有某些微弱的相互作用、暗物质之间可能会碰撞和湮灭、普通物质之间的高能碰撞可能会撞出暗物质等,所以科学家正通过高能宇宙射线、地下深井实验、高能粒子对撞实验等方式寻找暗物质。

目前国内外有大量的实验在寻找暗物质,但现在基本还没有明确结果。所以,暗物质是目前“笼罩在物理学晴朗天空中的一朵乌云”,发现暗物质也成为了重大的科学前沿。

所以在这个时候,“悟空号”带来的无疑是一个开创性的发现,接下来,我们也相信“悟空号”会继续为科学家们搜集证据,帮助我们进一步了解暗物质,进一步了解宇宙。

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