2015年12月17日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE），也是中国首颗天文卫星。上天这么久，“悟空”卫星在宇宙中有什么新发现？科猫记者从中科院了解到，“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含150万25GeV（1GeV=10亿电子伏特）能量以上的高能电子，基于这些数据科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。“悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV（1TeV=1万亿电子伏特）处的拐折。科学家表示，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。该成果于2017年11月30日在Nature杂志在线发表。
神秘的暗物质是什么？
所占质量是可见物质的5倍
“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首批立项研制的4颗科学实验卫星之一，也是首发星，其他三颗分别是实践十号返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星和硬Ｘ射线调制望远镜卫星。
▲暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）。
“悟空”卫星最早由紫金山天文台的常进研究员于2005年提出。技术突破源于常进在中美合作的南极长时气球观测实验，在实验中，他使用了能够测量到非常高能量的探测器，得出一条重要的电子能谱曲线。随后，在原中国科学院基础局、科技部的支持下，常进研制了1/4尺寸的原理样机。2011年12月21日该项目被正式列入中国科学院战略先导专项-空间科学专项，常进担任卫星的首席科学家。
据常进介绍，科学研究发现，宇宙中普通物质构成仅占4.9%，暗物质构成为26.8%，暗能量构成为68.3%，暗物质与暗能量占当今宇宙总质量密度的95%。
暗物质是可见物质的5倍多，但人类却对其知之甚少。暗物质不发射光子、不吸收不散射光子，也不参与电磁作用。暗物质具备很强的穿透能力，一个暗物质粒子，可以很轻松穿透阻碍物，在宇宙空间随意游荡飞走。
有“宇宙幽灵”之称的暗物质，科学家目前只能通过引力感受它们的存在，并没有直接探测到。寻找暗物质，成为全世界科学家都在努力的方向。
如何寻找暗物质？
“悟空”采用空间间接探测方法
作为现代天文学和物理学的一大谜团，暗物质这么神秘，要如何探测？常进介绍，世界上探测暗物质粒子的方法主要有三种：加速器、地下直接探测和空间间接探测。
其中加速器是指利用大型强子对撞机把粒子加速，再让它们对撞，这是通过模拟宇宙大爆炸之初的样子，试图“创造”出暗物质来，欧洲核子中心拥有目前全世界最大的强子对撞机。
地下直接探测的原理是暗物质与普通物质有极小概率会发生碰撞，并发出信号。因为信号太弱，为屏蔽宇宙射线的影响，科学家选择将精密仪器放在地下深坑的底部，我国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的暗物质探测实验室。
▲暗物质粒子探测卫星“悟空”。新华社贺萌绘制。
空间间接探测，是指通过探测暗物质粒子湮灭后产生的看得见的粒子(普通粒子) ,来探测看不见的暗物质粒子。这也是“悟空”号卫星使用的探测方法。常进介绍，由于暗物质粒子产生的信号很微弱，所以需要高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。
“悟空”卫星的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据，并进行天体物理研究。
“悟空”卫星采用了中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法，实现了对高能电子、伽马射线的“经济适用型”观测。
该卫星的探测器由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心联合研制。瑞士的日内瓦大学、意大利国家核物理研究院也参与了硅子探测器的研发。卫星平台由中科院微小卫星研究院研发，地面科学应用系统由紫金山天文台负责建设。
“悟空”卫星发现了什么？
获得国际上精度最高的电子宇宙射线
2016年3月，在“悟空”卫星发射升空4个月后，迎来了在轨测试总结评审，各项指标均满足评定要求，整星指标评定为100分。随后，卫星交付中科院紫金山天文台，正式进入科学运行阶段。到目前为止，卫星在轨道运行接近两年，所有探测器性能和刚发生时一样，仍然保持100分的状态。
▲运行中的“悟空”。
在太空中运行的“悟空” ，承担什么科学责任？常进介绍，“悟空”卫星主要有三个科学目标：探测暗物质粒子，研究宇宙射线的起源和伽马射线天文。
“悟空”卫星在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱（能谱指的是电子数目随能量的变化情况）信号。
常进向记者透露了暗物质探测卫星“悟空”的首批科学成果，“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含约150万25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。该成果于2017年11月30日(北京时间)在Nature杂志在线发表。
常进进一步解释“悟空”卫星的科研成果，与之前结果相比，首先，“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备有显著提高，拓展了我们观察宇宙的窗口。其次，“悟空”卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高（也就是其中混入的质子数量最少），能谱的准确性高。
▲“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。
同时，“悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。
此外，“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦该精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。
科研成果是否意味着发现暗物质？
还需两三年的研究数据方可确定
范一中是暗物质卫星科学应用系统副总设计师、紫金山天文台研究员。他告诉科猫，“悟空”在1.4TeV处发现的疑似精细结构是出乎所有人意料的新发现，但它的置信度还不够高，还需要进一步积累数据。“最迟到后年就可以判断高能段是否存在该新现象，这个现象是否为暗物质还需要理论物理学家进一步研究解读。”
范一中介绍，这次“悟空”卫星还在世界上首次直接测量到电子能谱在TeV处的拐折，拐折意味着存在一个新的电子宇宙射线来源，但是否与暗物质有关还无法确定。越往高能段，数据量越来越少，测量起来难度也在增加。范一中认为，“悟空”号工作很完美，一定会有更多数据，即使最后发现不是暗物质，也会是一个科学新发现。
如果发现暗物质，对人类生活有什么影响？
目前无法预知，但必定会极大影响人类
神秘莫测的暗物质，如果发现会对人们生活有什么影响？常进称，科学上每一次进步，都会大大影响人类生活，量子力学和相对论在100年前发现时没人想到会如何影响人类生活，但现在手机的芯片、电脑、互联网都与此相关，我们的生活已经与其无法分割。
中科院院长白春礼表示，科学研究已经确定暗物质的存在，但现在已知的理论无法解释暗物质，如果发现暗物质，会带来物理学上理论的突破，同时会改变我们对物质的认知。
量子理论的诞生，也是因为当时常规的理论无法解释实验现象才被逐渐发展出来。如果没有量子论和相对论，航天技术、半导体、量子通信都无法产生，而这些对人类生活均产生极大的影响。这次“悟空”号发现了一个新的迹象，有可能催生物理学的重大突破。
我们现在还不知道这些结果代表着什么，是否为暗物质还需要其他的实验来印证，因为现在并没有精确的理论模型可以解释这一现象。暗物质现在只是一个概念，也是当前国际在基础科学上最前沿的问题。
白春礼称，如果我们知道暗物质是什么，就会突破现在物理学的理论框架，改变我们描述宇宙的理论框架。
科界原创
撰文：樊瑞
