为了搞明白“悟空”号上天到底做的是什么事,我们先简单科普一下。暗物质就是一种理论上可能存在的物质,它不反射光、没有电荷、不与普通物质发生反应,因此我们根本看不见它,也摸不着它,只能通过引力来感觉到它似乎存在。但是暗物质又是宇宙中的重要组成部分,约占23%,相比之下,我们可见的普通物质仅占5%。
长久以来,寻找暗物质一直是科学界的一个重要的目标,对于这种未知的物质,科学家们只能凭借已知的规律来推测它可能发生的现象,说白了就是一个字-猜。目前探测暗物质的方法主要有三种,分别如下。
1、在深入地面的实验室里采取直接探测的方法
2、在宇宙空间中采取间接探测的方法
3、通过粒子对撞机让暗物质现形
我们可以看到,“悟空”号采用的就是第2种方法,那么它的工作原理是什么呢?我们都知道,普通物质都是由各种各样的基本粒子构成,在微观的世界里,这些粒子随时处于运动、变化的状态。在一些特定的情况下,例如衰变、正反粒子湮灭等等,这时它们就会释放出一些我们可以探测得到的粒子。
同样的道理,科学家们推测暗物质也是由暗物质粒子构成,当这些暗物质粒子发生衰变、湮灭等情况的时候,很可能也会产生我们能探测到的粒子,如电子和正电子、伽马射线、质子、反质子、中微子等等。根据这一推测,科学家们希望通过大量收集来自外太空的各种宇宙射线的数据,并对这些数据进行分析,并从中找到暗物质的蛛丝马迹。
一般情况下,宇宙射线的能量曲线都是按已知规律来变化,其曲线通常都是都是平滑的,而如果这个曲线出现了异常波动,那就可能是暗物质的表现了。简单的讲,就是全部的减去已知的,等于未知的,而这个未知的就很可能是暗物质。这也意味着我们的探测器必须要具备足够高的精度,才能够察觉到其中的一些细微的差值。
目前科学家们用于探测暗物质的空间探测器有4个,分别是阿尔法磁谱仪、费米卫星、CALET卫星和“悟空”号,其中“悟空”号在“伽马射线、高能电子的能量测量精度”以及“不同种类的粒子区分能力”上是最高的。好了,现在我们来看看“悟空”号到底做出了什么成果。
在收集了近30亿的高能粒子的数据之后,“悟空”号于2017年11月发布了测量结果,上图为“悟空”号对宇宙射线电子能谱的探测数据(红)与其他的实验观测数据的对比(图自Nature.2017)。从图中(1)处我们可以看到,宇宙射线源的分布出现了比较明显的变化,而在(2)处则出现了明显的波动。这就预示了,宇宙中可能存在着一个未知的粒子,而它很可能就是科学家们苦苦寻找的暗物质。
虽然目前来讲,还不能确切的说就是发现了暗物质,但是这确实是人类探索暗物质的道路上的一道曙光,也为以后的探索之路指明了方向。时至今日,“悟空”号仍然在太空中兢兢业业的工作,我们期待着它能带给我们更多的惊喜。