《科学通报》
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“悟空”号的火眼金睛与暗物质线谱搜寻
2022-08-04 00:33:00早在20世纪30年代，瑞士天文学家Fritz Zwicky发现后发星系团中的星系速度弥散过大，由位力定理可知，仅靠星系团中的发光物质无法维持整个系统的稳定，因此他提出在星系团中还存在随后被称为暗物质的某种不发光物质。这一发现开启了人类对暗物质的认识和研究。1970年代，Vera Rubin与合作者测量了仙女星系中气体旋转速度随半径的关系，发现距离星系中心较远处旋转速度并未下降而是趋于定值，同样需要引入暗物质才能解释观测数据。随后，在宇宙多个尺度的观测都一致地揭示了暗物质的存在，暗物质是现代宇宙学的核心问题之一。通过近年Planck卫星对微波背景辐射的观测可知，在标准宇宙学模型下，宇宙中仅有约5%的质量为普通物质，剩下约26%和69%分别为暗物质和暗能量。
虽然已经有大量天文观测表明宇宙中存在暗物质，但是我们仅探测到其引力效应，而对暗物质的粒子性质知之甚少。综合各种观测，我们目前所知的暗物质主要性质有：寿命与宇宙年龄相当，几乎不参与电磁与强相互作用，不会因运动速度过快而破坏天体结构的形成。这些性质排除了粒子物理标准模型中各粒子作为暗物质候选者的可能性。暗物质粒子预期为某种超出标准模型的粒子。因此，搜寻暗物质粒子引力之外的相互作用形式不仅是天文观测，也是粒子物理最重要的研究课题之一，相关突破有望扩展已知的标准粒子模型而通往“新物理”。
理论物理学家提出了大量的冷暗物质理论模型。在一些模型下，暗物质粒子和标准模型粒子之间存在较弱的相互作用，由于宇宙极早期具有较高的温度，此时暗物质粒子和标准模型粒子可以相互转换并达到热平衡。考虑到暗物质之间存在的相互作用，即使现在宇宙温度已经下降，可以预期在暗物质密度较高的地方，暗物质粒子仍然可以湮灭产生标准模型粒子，而这些产生的标准模型粒子可以进一步产生如光子、正电子等稳定粒子。在另一些模型下，暗物质粒子虽然寿命极长，但仍有概率衰变产生标准模型粒子，进而产生光子、正电子等稳定粒子。通过伽马射线、宇宙线等观测，可以搜寻超出天体物理背景预期的信号来研究暗物质粒子的性质，这就是通常所说的暗物质间接探测。该方法可以与地下实验室中进行的暗物质直接探测、高能物理的对撞机等独立且互补地探究暗物质的性质。
在利用伽马射线观测进行的暗物质间接探测中，寻找线谱结构具有特殊的意义。一些模型预言暗物质粒子湮灭或者衰变可以形成GeV~TeV能区的线谱。而对于已知的天体物理过程，高能辐射与带电的宇宙线粒子相关，因为宇宙线粒子加速和能损的过程通常不会集中于某一个能量，其产生的伽马射线辐射是一个连续谱。假若我们在伽马射线能区发现一条线谱，那将无疑预示着某种来自暗物质或新物理的未知过程。近10年来，科学家们已经利用费米卫星观测的银河系中心、星系团和矮星系等多个区域的伽马射线数据搜寻GeV~TeV的线谱，限制了暗物质的参数空间。对于线谱搜寻，探测器的能量分辨率是一个关键因素。高能量分辨一方面使潜在的信号更为凸显，另一方面也会显著降低系统误差的影响。费米卫星虽然具有大的接受度，但是它的能量分辨率弱于6%，具有更强能量分辨率的新探测器将有望更有效地搜寻线谱信号。
暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particle Explorer，DAMPE，又名“悟空”号)于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射，是空间科学先导专项(一期)的首发星。其主要科学目标为通过在空间观测高能宇宙线和伽马射线来间接研究暗物质粒子的性质，并开展宇宙线起源与传播，以及伽马射线天文方面的相关研究。发射成功后，“悟空”号卫星平台、有效载荷均工作正常，运行平稳。相比于费米卫星，悟空号伽马射线探测的有效面积较小，但最佳能量分辨率优于1%，居于世界领先地位，在线谱搜寻方面具有独特的优势。
图1选择区域内的平均伽马射线能谱
图2“悟空”号对暗物质湮灭到双光子通道的95%截面上限（a）和衰变到光子、中微子的95%衰变寿命下限（b）
虽然在线谱搜寻方面“悟空”号已具有最灵敏的探测能力，但是其仍未发现暗物质相关的信号。暗物质粒子到底具有什么样的性质？对此，科学家们暂时还没有好的答案,期望未来更大面积、更高能量分辨率的伽马射线望远镜可以带来更多的线索。
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