“悟空”的火眼金睛，到底看到了啥？

有一个幽灵一直在困扰着我们，留下了许多线索来证明它的存在，但是从来没有人见过或接触过它的真实身体。现在，“悟空”睁开了他的眼睛，从纷繁的混沌中抓住了一条关键的线索，这也许有助于我们认清这个鬼魂的真面目。就连“悟空”也看到了这个鬼魂留下的一半影子。

这不是新版《西游记》，而是悟空合作小组在《自然》杂志上发表的第一批科学成果。

故事中的“悟空”，全名是暗物质粒子探测卫星，属于中国科学院。自2015年12月17日发射以来，它一直在距离地面约500公里的太阳同步轨道上收集数据。今天早上，这是该卫星在运行的第一个530天获得的第一批数据。

太空运行的暗物质粒子探测卫星。资料来源:中国科学院

暗物质的幽灵，悟空，已经想尽一切办法去寻找真相。这就是著名的“暗物质”。顾名思义，暗物质是指不可见的物质。不是因为没有光照亮它们，而是因为光没有照亮它们。

我们之所以能看到这个世界、我们周围的桌子和椅子，以及遥远的太阳、月亮和星星，是因为这些东西或这些物质可以在最基本的层面上与光相互作用——它们可以被光照亮，也可以发光。暗物质是不同的。他们是陌生人，彼此视而不见。从严格的科学术语来说，暗物质不参与电磁相互作用，而我们知道，光是电磁波。因此，暗物质不反射光，不发光，也不阻挡任何光。

不仅光，普通物质对暗物质也是陌生的。分子和原子是普通物质的基石。这些基石可以组装在一起。本质上，它们之间的电磁力在起作用。也正是通过这种电磁效应，我们可以触摸到这个广阔的世界。另一方面，暗物质对这种电磁效应不屑一顾。因此，暗物质是由普通物质组成的，我们看不见，甚至摸不着。它就像一个来自完全不同时空的幽灵。

既然它们看不见也摸不着，为什么科学家们相信这个鬼魂的存在是真的，甚至派“悟空”去天堂探查它的真面目？

因为重力。

牛顿可能没有被苹果击中头部，但重力是真实的。

在超重力的传说中，落在牛顿头上的苹果让他意识到了一个真正的意义——导致苹果从树上掉下来的力也拉着太阳、月亮和星星在空中依次移动。

只要任何东西都有质量，它们之间就有一种羁绊，使它们互相吸引。这种被称为重力的束缚是宇宙中唯一能从远距离影响天体运动的力量。一个天体在宇宙中如何运动取决于它受到多少重力，这反过来又反映了它周围包含了多少物质。

例如，天王星被发现后不久，人们发现它的位置总是偏离理论计算的轨道。即使考虑到当时所有已知天体的引力，仍然有一个额外的引力在暗中干扰它的运行。一些人由此推断，那时太阳系中一定有一颗未知的行星，在特定的位置施加额外的重力。果然，海王星很快就在预测的位置被发现了。因此，万有引力定律深入人心。

在我们的宇宙中，暗物质比普通物质多得多，但我们对暗物质的性质一无所知。资料来源:美国自然历史博物馆

然而，自20世纪30年代以来，天文学家发现越来越多的天体在比太阳系大得多的宇宙尺度上运行。即使所有可见物质都包括在内，它仍然需要额外的重力来解释。

在银河系级别的螺旋星系中，数千亿颗恒星围绕星系中心快速移动。这些恒星速度如此之快，如果没有额外的重力，它们将被抛出星系，整个星系将会分崩离析。

在较大的星系团中，星系中充满了能发射X射线的高温气体。这些气体的温度如此之高，以至于它们会在太空中消散，没有额外的重力就无法形成。

即使在宇宙演化的早期阶段，如果没有额外重力的参与，普通物质也不会如此迅速地聚集在一起，形成我们今天看到的大规模宇宙结构。

天王星上的额外引力导致天文学家推断出海王星，而海王星还没有被发现。类似地，整个星系、星系团甚至整个宇宙的额外引力使天文学家确信，宇宙中一定有某种未知物质比普通物质更丰富，并能产生足够的额外引力。因为它们看不见或摸不着，天文学家称这种未知物质为暗物质。

如果没有额外的重力，螺旋星系中的恒星将被抛出星系，导致整个星系分崩离析。资料来源:astro.wsu.edu

不像海王星，它很快被发现时，马的脚跟是暴露的，暗物质已经提出了几十年，我们仍然不知道它是什么。

理论家推测，正如普通物质由一系列基本粒子组成一样，暗物质也可能由一大类粒子组成。尽管这些粒子看不见也摸不着，但一些理论预测，在某些特殊情况下，这些不可见的粒子可能会暴露出来。例如，当两个暗物质粒子面对面时，它们可能会相互湮灭，产生伽马射线和一系列不可见的高能粒子。

在地球大气层之外，空间充满了高能粒子，称为宇宙射线。这些粒子的起源一直是个谜。也许其中大部分来自普通的高能天体物理过程，但也有可能其中一些来自暗物质粒子的湮灭或衰变。源自暗物质的高能粒子，尤其是正电子和正电子，可能会在电子宇宙射线的总能量谱上留下独特的标记。这是悟空的第一个科学目标。

“悟空”的金眼实际上是一架宇宙射线望远镜，它从一开始就连续记录宇宙中的高能粒子。在运行的前530天，“悟空”记录了总共28亿个高能粒子，从中分辨出150万个高能电子，并测量了它们的能量和源位置。从这些数据中，科学家们试图找到暗物质粒子湮灭的关键证据。

暗物质卫星结构图，从上到下是塑料闪光阵列探测器、硅阵列探测器、BGO热量计、中子探测器。照片来源:dpnc.unige.ch

早在悟空升上天空之前，科学家就发现了宇宙射线中高能电子的一些异常现象。例如，丁肇中领导的阿尔法磁谱仪发现，当粒子能量超过一定值(10GeV)时，宇宙射线中正负电子的比例大大超过理论模型的预期，这似乎可以用暗物质粒子的湮灭来解释。

如果是暗物质粒子湮灭，理论上它产生的高能电子会有一个能量上限，具体值与暗物质粒子本身的质量有关。如果超过能量极限，高能电子的数量将急剧下降，导致宇宙射线谱中的一个纽结。然而，无论是丁肇中的阿尔法磁谱仪，还是后来美国的费米太空望远镜，都无法测量出高达1万亿电子伏特(1TeV)的高能电子，而且在能谱中也没有发现扭结的迹象。

相比之下，“悟空”火眼金睛对高能电子能量的测量最高可达10TeV，是阿尔法磁谱仪和费米望远镜能量极限的10倍，为1TeV以上的高能电子宇宙线观测开辟了新的窗口。

“悟空”(红色)释放的第一个高能电子宇宙线能谱。作为比较，绿色和蓝色分别是阿尔法磁谱仪和费米太空望远镜的数据。“悟空”为观察1千电子伏以上的高能电子宇宙射线打开了一扇新的窗户。它第一次直接观察到了电子能谱中的一个纽结。图片来源:悟空合作团队

结果也没有辜负人们的期望。根据今天公布的第一批数据，“悟空”看到的高能电子能谱图首次明确揭示了预期的扭结。以0.9TeV的能量为边界，左侧的电子数变化相对平缓，但右侧的变化要陡得多。

如果这个扭结真的是由暗物质粒子产生的，理论上科学家甚至可以根据扭结的形状推断出暗物质粒子的一些特征。例如，它们不是直接湮灭成正负电子对，而是先湮灭成正负μ子，然后衰变成正负电子。

然而，对这种扭结的直接观察并不是暗物质粒子存在的确凿证据。毕竟，其他的天体物理过程，比如脉冲星周围的高能现象，也可能产生类似的弯曲和柔和的形状。这种扭结反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，并在确定能量低于1TeV的电子宇宙射线是否来自暗物质中起着关键作用。半个数字？

推开一扇新窗户，除了看到预期的美丽景色，我们经常会注意到一些意想不到的惊喜。“悟空”也是如此。除了转动，他似乎还看到了这个暗物质幽灵留下的一半阴影。

在1千电子伏的能量之上，即扭结的右边，高能电子的数量开始急剧下降。然而，在1.4电子伏的情况下，高能电子的数量异常多，在拟合曲线之上跳跃得很高。似乎在附近非常狭窄的能量范围内，宇宙射线中高能电子的数量有一个尖峰。

“悟空”数据中古怪的数据点暗示了暗物质粒子可能存在的新证据。图片来源:悟空合作团队

如果这一异常数据是真的，那一定是一项重大发现，因为能够发射高能电子形成这种尖峰的天体一定极其特殊。首先，这个天体必须离地球很近，只有几百光年远，因为如此高能量的电子不能在宇宙中走得更远。其次，它发射的高能电子的能量必须几乎相同，而且只有地球上一个微调过的大型加速器才能达到类似的水平。

甚至，一些理论家已经提出了一个新的暗物质粒子模型，将它们聚集在地球附近，或者成群聚集，或者被一个中等质量的初级黑洞吸引，这个黑洞通过碰撞和湮灭产生能量一致的高能正电子和正电子，试图通过这个不可思议的模式来解释这个尖峰。

当然，现在解释这个峰值还为时过早。今天发布的第一批数据是“悟空”在最初的530天里收集的。由于宇宙射线中高能粒子的随机性，明显偏心的数据点也可能是统计波动，不一定是真实信号。幸运的是，“悟空”身体健康，预计将继续在太空服务3至5年，以收集更多高能电子宇宙射线的数据。也许只有到那时，我们才能确定这个峰值是否真实。

至于发现暗物质粒子的好消息，可能需要更长的时间。