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第59集 “悟空”的火眼金睛看到了什么?

第59集 “悟空”的火眼金睛看到了什么? 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-11   浏览数:
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  在节目开始之前,我们先来说一个故事。在生活中,有一个“幽灵”始终围绕在我们身边,虽然留下许多蛛丝马迹证明它确实存在,但从没有人看见或者摸到它的“真身”。如今,“悟空”睁开了火眼金晴,从纷繁复杂的乱象中抓住了一条关键线索,或许能够帮助我们认清这个幽灵的真面目。甚至,“悟空”还隐隐看到了这个幽灵留下的半个身影。 

  这个故事并不是《西游记》的新编,而是2017年11月30日凌晨悟空号合作组在《自然》杂志上公布的首批科学成果。 

  故事里的“悟空”,全名是暗物质粒子探测卫星,隶属于中国科学院,从2015年12月17日发射升空以来,就一直在距离地面大约500千米的太阳同步轨道上采集着数据。而“悟空”千方百计想要认清真相的那个幽灵,就是大名鼎鼎的“暗物质”。 

  顾名思义,暗物质指的是看不见的物质。这不是因为没有光 照亮它们,而是因为光 照不亮它们。我们之所以能够看到这个世界,看到身边的桌椅板凳,看到遥远的日月星辰,是因为这些东西,或者说这些物质,在最根本的层面上,能够和光互动,也就是说它们能够被光照亮,或者能够发出光亮。 

  但暗物质不同,它们和光形同陌路,互不理睬。暗物质不参与电磁相互作用,而光是一种电磁波。因此,暗物质不反光,不发光,也不遮挡任何光线。 

  与暗物质互不理睬的,不只有光,还有普通物质。分子和原子是普通物质构成的基石,这些基石能够组装在一起,本质上是它们之间的电磁力在发挥作用。也正是通过这样的电磁作用,我们才能够触摸到这个大千世界。而暗物质,对这样的电磁作用,根本就不屑一顾。 

  于是,对于由普通物质构成的我们来说,暗物质不只看不见,连摸都摸不着,就像一个幽灵,来自于完全不同的另一个时空。 

  既然看不见也摸不着,科学家凭什么认定这个幽灵的存在千真万确,甚至不惜派“悟空”闯入天庭去探查它的真面目呢? 

  实际上,这主要是因为万有引力。传说中,砸在牛顿脑袋上的苹果让他悟出一个真谛——那就是,让苹果从树上掉落的力量,同样牵引着日月星辰在天空中依序运转。 

  任何东西,只要拥有质量,彼此间就会存在一种羁绊,使它们相互吸引。这种羁绊称为引力,是宇宙中唯一能够远距离影响天体运行的力量。天体在宇宙中如何运行取决于它受到了多少引力,而所受到的引力又能反映出有多少物质蕴藏在它的周围。科学家曾用一个简单的例子来解释这个理论。 

  天王星被发现不久,就有人提出,和理论推算的轨道相比,它的位置总是出现偏差。就算考虑了当时已知的所有天体对它施加的吸引,也仍然有额外的引力在偷偷干扰它的运行。有人据此推断,太阳系里应该存在一颗当时还未知的行星,在特定的位置上施加了额外的引力。果然,没过多久,海王星就在预测位置上被发现了。万有引力定律因此深入人心。 

  自上世纪30年代以来,在规模远大于太阳系的宇宙尺度上,天文学家发现有越来越多的天体运行规律,就算把所有看得见的物质全都算上,也仍然需要有额外的引力才解释得通。 

  在银河系级别的旋涡星系里,千亿颗恒星绕着星系中心快速运转。这些恒星速度很快,要是没有额外的引力,它们就会被甩到星系以外,令整个星系崩塌分解。而在规模更大的星系团中,星系之间弥漫着能够辐射出X射线的高温气体。这些气体温度非常高,要是没有额外的引力,它们早就消散在宇宙空间了。 

  甚至,在宇宙演化早期,如果没有额外引力的参与,普通物质也不会如此快速地聚集成团,形成如今人们看到的宇宙大尺度结构。 

  天王星受到的额外引力,让天文学家推断出了尚未发现的海王星。同样,整个星系、星系团,甚至整个宇宙受到的额外引力,让天文学家相信,宇宙中肯定存在某种未知的物质,数量比普通物质更多,能够产生足够的额外引力。由于看不见也摸不着,天文学家就把这种未知的物质称为暗物质。 

  跟当年很快就被人找到的海王星不同,暗物质提出几十年来,对于它到底是什么,科学家仍然一无所获。理论学家推测,就像普通物质由一系列基本粒子构成一样,暗物质可能也是由一大类粒子构成。虽然这些粒子看不见也摸不着,但某些理论预言,在一些特殊情况下,这些隐身的粒子可能会露出马脚。比如,当两个暗物质粒子狭路相逢时,它们可能会相互湮灭,产生出伽马射线和一系列并不隐身的高能粒子。 

  在地球大气层外,宇宙空间里充斥着许多横冲直撞的高能粒子,称为宇宙线。这些粒子的来源始终成谜,或许大都来源于普通的高能天体物理过程,但也有可能,其中一部分来源于暗物质粒子的相互湮灭或者衰变。来源于暗物质的高能粒子,特别是正负电子,或许会在电子宇宙线的总能谱上留下独特的印迹。这正是“悟空”的首要科学目标。 

  “悟空”的火眼金睛,其实就是一台宇宙线望远镜,自上天以来,便持续不断地记录着来自宇宙的高能粒子。在运行的前530天里,“悟空”一共记录到28亿个高能粒子,从中分辨中150万个高能电子,而且,测量了它们的能量和来源方位。从这些数据中,科学家试图找出暗物质粒子湮灭的关键证据。 

  早在“悟空”上天之前,科学家就在宇宙线里的高能电子中察觉到了一些异常。比如丁肇中领导的阿尔法磁谱仪就发现,在粒子能量超出某个数值时,宇宙线里正负电子的比例就会大大超出理论模型的预期,这似乎就可以用暗物质粒子湮灭加以解释。 

  如果真是暗物质粒子湮灭,那么理论上来说,它所产生的高能电子就会存在一个能量上限,具体数值与暗物质粒子本身的质量有关。如果超过这个能量上限,高能电子的数目就会出现陡峭下跌,从而在宇宙线能谱中出现一个拐折。然而,不论是丁肇中的阿尔法磁谱仪,还是后来美国的费米空间望远镜,对高能电子都只能测量到最高1万亿电子伏特,没有在能谱中发现任何拐折的迹象。 

  由于“悟空”的火眼金晴对高能电子能量的测量,最高能达到10万亿电子伏特。因此,在“悟空”看到的高能电子能谱图上,预期中的拐折第一次确凿无疑地显现出来。以0.9万亿电子伏特的能量作为分界,左侧电子的数目变化相对平缓,右侧却要陡峭得多。 

  如果这一拐折真的是由暗物质粒子产生的,那么,理论上科学家就可以根据拐折的形状,推断出暗物质粒子的一些特性。不过,直接观测到这一拐折,还算不上是暗物质粒子存在的确凿证据。毕竟,其他天体的物理过程,比如脉冲星周围的高能现象,也有可能产生形状平缓的类似拐折。这一拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,对于判定能量低于1万亿电子伏特的电子宇宙射线是否来自暗物质起到了关键性作用。 

  当推开一扇新的窗口,除了可以看到预期中的美景之外,我们往往还会有一些意料之外的惊喜。“悟空”也是如此,除了拐折,似乎还隐隐看到了这个暗物质幽灵留下的半个身影。 

  在1万亿电子伏特的能量之上,高能电子的数目已经开始陡峭下跌。然而,就在1.4万亿电子伏特处,高能电子的数目却比其他地方多很多。似乎在附近很狭窄的能量范围之内,宇宙线中高能电子的数目出现了一个尖锐的峰值。 

  如果这个异常数据是真实的,那必定是一个重大发现,因为能够发出高能电子形成如此尖峰信号的天体,肯定是非常特殊的存在。不过,目前还无法解释这个尖峰的形成原因。毕竟这只是“悟空”在运行的前530天里采集到的第一批数据。由于宇宙线里的高能粒子存在随机性,明显离经叛道的数据点也可能只是统计涨落,未必就是真实信号。 

  好在,“悟空”健康状况良好,预计可以在太空继续服役3到5年,采集更多高能电子宇宙线的数据。或许只有到了那时,才能确切判断这个尖峰是否真实。至于暗物质粒子被发现的捷报,或许还需要等待更长久的时间吧。 

  好的,今天的非常科学到这里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”来关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们节目组进行互动。 

  主持人亚楠代表编辑制作感谢大家的收听,并诚邀您明天同一时间继续与我们相约《非常科学》。 


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