2015年12月16日，“暗物质粒子探测卫星-悟空”的新浪微博。
“我也会取回真经的。”
2015年12月17日上午，长征二号D型运载火箭搭载我国首颗空间粒子探测卫星“悟空”，在酒泉卫星发射中心升空，自此开启一段探测宇宙线粒子的求索之旅。
暗物质粒子探测卫星在酒泉卫星发射中心升空。（新华社 贺萌 绘）
“悟空”的大名叫暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer， DAMPE），长1.5米，宽1.5米，高1.2米，总重1.85吨，相当于一辆四四方方的小客车。“悟空”这个名字是从来自全世界的3万多个命名提案中脱颖而出的。这是因为我们期待暗物质粒子探测卫星能像齐天大圣孙悟空一样，领悟太空、探索太空，并取回“真经”，而“悟空”要取回的真经，就是有关暗物质的线索。
暗物质粒子探测卫星（新华社 贺萌 绘）
20世纪，天文学家发现了一些奇怪的现象，比如在银河系中，恒星环绕银河系中心的运动速度与推测的不同。万有引力定律告诉我们，距离越远，引力越小。在太阳系中，行星绕太阳公转的速度随着离太阳的距离增大而降低，天文观测数据显示，在银河系中，物质主要集中在中心区域，在银河系外围区域，能观测到的物质很稀少。那么跟太阳系类似，银河系中心区域的恒星围绕银河系中心运动的速度就应更快，越往外的恒星，运动得越慢。
行星绕着太阳转。（新华社 贺萌 绘）
但是实际上却没有这么简单。天文学家发现，银河系外围区域和中心区域的恒星没有明显区别，同样保持较高的速度运动——这就太奇怪了。以现有数据推算，如果保持外围恒星以如此高的速度运动，银河系里能看到的全部物质的引力都加起来也不够。
我们可以想象自己在抛铁饼——随着转圈变快，铁饼很容易脱手并以很高的速度飞出去。但这些在外围高速运动的恒星为什么还留在银河系里呢？
既然仅凭银河系中心区域的引力无法让外围恒星保持如此高的运动速度，那么科学家们很自然就会想到，还有一些别的物质提供引力，“拉”住了这些恒星。也就是说，银河系外围区域只是“看起来”很荒凉，实际上却存在大量看不见的物质。这些物质真实存在，提供引力，但无法参与电磁作用，所以我们没办法用望远镜在任何波段观测到。
这种不发光却提供引力的物质，就被称为暗物质。
根据现代天文学的宇宙模型计算，整个宇宙中，普通物质的比例不到5%，暗物质的比例在27%左右，另外还有约68%占比的东西是更为神秘的暗能量。暗物质含量超出普通物质4倍多 ，广泛存在于我们的宇宙中。
宇宙是由5%普通物质，95%暗物质和暗能量构成的大饼。（新华社 贺萌 绘）
但问题是，暗物质既不发光，又几乎不与普通物质发生相互作用，更无法用普通物质制造出来的容器装起来，我们要怎么寻找它呢？
一个可行的方法是，等待暗物质自己产生能被我们观察到的蛛丝马迹。
暗物质之间可能会发生相互碰撞，而碰撞的结果是产生新的粒子，比如能量特别高的电子。电子是我们能够探测到的东西。太空里有各种粒子，带电或不带电，带正电或负电，质量大或小，就拿电子这一种粒子来说，还有能量比较高和比较低的。
统计太空中不同能量的电子分布是间接探测暗物质的方法之一。如果真的存在暗物质，暗物质相互碰撞产生新的能量比较高的电子，那么这些电子的数据就会偏离设想的统计规律，显示出特殊变化。比如某一种能量的电子突然增多了，那么就可能是暗物质存在的证据。
我们看不到暗物质，但可以通过间接手段观测它。（新华社 贺萌 绘）
也就是说，我们看不见暗物质，但能看见暗物质“打架斗殴”的“产物”。
“悟空”就擅长“看见”这些产物。
“悟空”卫星专门收集不同的粒子，按照不同类别分类记录，并精确测量粒子的能量和方向等物理量。类似的工作，国际上的费米γ射线空间望远镜和丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪二号（AMS-02）也在做。那中国的“悟空”有什么独特的优势吗？
还真有优势。
“悟空”团队发布的科学成果
这张图的横坐标是电子的能量，越往右表示能量越高；纵轴相当于统计了每种能量的电子的数量。通常我们用电子伏特（eV）描述电子能量，1电子伏特即1个电子被1伏特电压加速后获得动能的值。1GeV即10亿电子伏特。可见光的光子能量大约只有几个电子伏特，而宇宙中高能电子的能量高达千亿至万亿量级。
如图，红色的数据点就来自“悟空”。作为对比，蓝色和绿色分别来自费米空间望远镜和阿尔法磁谱仪二号。相较于“费米”和阿尔法磁谱仪，“悟空”观测的能量范围更高，最高能达到4.6万亿电子伏特，是前两者上限的好几倍。此外，“费米”及阿尔法磁谱仪在5000亿电子伏特以上能量时测量误差都较大，但“悟空”在直至3万亿电子伏特的能量范围内，数据可信度都很高。
也就是说，针对1万亿电子伏特以上的电子观测，咱们的“悟空”有着显著的优势。“悟空”凭借它的“火眼金睛”，就此打开了1万亿电子伏特以上高能电子宇宙线探测的新窗口。
基于这些优势，暗物质卫星“悟空”能够获得最精确的高能电子宇宙线能谱。从2015年冬天到2017年夏天，“悟空”卫星收集了530天的数据，捕获了28亿高能粒子，从中分辨出了150万个高能电子。统计这些电子的能量分布后，2017年11月30日，“悟空”卫星公布了首批数据。
“悟空”卫星得到的高能电子宇宙线能谱，在1000GeV及1400GeV处出现不同寻常的数据点。
在图中的红色数据上，我们可以看到两个特别的地方。第一处在1万亿电子伏特的地方，红色的数据点开始往下掉，出现了一个“拐折”；第二处在大约1.4万亿电子伏特的地方，红色的数据点出现一个高出很多的“跳跃”。
第一个特征可能与高能电子源的空间分布有关，表明能量在1万亿电子伏特以下的电子不是主要来自暗物质；而该能谱上第二个明显的跳跃没有人预期到。已知的天体和天文过程均无法产生具有单一能量的电子，这意味着在1.4万亿电子伏特的能量处存在新的粒子。如果这个异常数据可信，那么它可能就是“悟空”要寻找的暗物质的证据。
（来源： www.cas.cn）
当然，这个新结果可能是暗物质的迹象，也有可能是 “误会”。“悟空”卫星的科学家们非常理性地认识到，“悟空”目前发现的结果也有可能来自其他原因，比如有限统计量导致的涨落或者是太阳系邻近区域有某种“奇特天体”。“悟空”卫星发射两年后的第一次科学成果就已经给我们带来了惊喜，接下来最重要的是积累更多数据，帮助科学家们进一步分析可能的原因。
2019年，在通过电子的能谱“看”到新奇现象的线索之后，“悟空”又用它的火眼金睛立下新功——它测量了迄今为止能段最宽也最精确的质子能谱。
与电子不同，质子的质量更大，带正电荷，传播距离长，能够反映银河系中更遥远的天体的活动。运行近四年，“悟空”共收集到约2000万个高能质子数据。据此，科研团队绘制出精确的高能宇宙线质子能谱。
图中的红点是“悟空”卫星的新结果，其他颜色的数据点是国际上同类探测器的结果对比。图中横坐标是质子的能量，纵坐标可以理解为统计到的质子的数量。
图表的对比数据清晰地显示出，“悟空”卫星对质子的探测覆盖到了更高的能量段。图上红色数据点的走势展示出质子流量先上升、后下降的“拐折”结构，尤其后半段的下降趋势，是“悟空”首次发现的。
通常的宇宙线加速和传播模型预期质子能谱应为幂律分布，即在图中不同能量的质子数应无明显结构。产生如此复杂结构的一种可能是，在太阳附近的宇宙空间中曾经有一颗大质量的恒星，在它死亡后成为超新星，爆炸后加速了大量宇宙射线，其中就包括这些高能的质子。这些已经逝去的恒星早就无法观测到，但它还在通过其过去加速的宇宙线给我们带来影响。
“悟空”卫星最初设计使用3年时间，因为其运行状态良好，所以仍旧在太空中继续工作。2021年5月“悟空”号发表了对氦核宇宙线的测量成果，也发现了高能量段宇宙线数量比理论预期高的现象。除了带电粒子，“悟空”也能捕获高能光子，也就是γ射线，现在，这些数据已经面向全世界公开发布。
到2021年，“悟空”已经连续运行6年时间，比计划工作时间延长了一倍，而且还将继续延寿运行。作为中国第一台基础科学卫星，“悟空”在粒子鉴别、能量分辨和能段覆盖等方面国际领先，但其造价却又远低于国际同类探测器。它的设计制造、成功发射、良好运行以及与地面科学家的协同科学工作，共同证明了中国在空间探索方面取得的长足进步。
期待暗物质粒子探测卫星的科学成果。（新华社 贺萌 绘）
2021年12月17日是“悟空”卫星6岁的生日，它在宇宙空间尽情施展着自己的才华，我们同样期待它继续给我们带来新的惊喜。如果“悟空”带回了有关暗物质的粒子存在的证据，确定了暗物质的特性，势必会给物理学带来新的革命。“悟空”本质上只是一台空间宇宙线望远镜 ，能否找到暗物质粒子的确凿证据仍无定论，但它的火眼金睛，一定能替天文学家们打开一扇了解宇宙的新窗口，协助中国天文学在未来实现新突破。
“暗物质粒子探测卫星-悟空”微博头像
参考文献
[1]DAMPE Collaboration, Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons. Nature, 2017, 552(63–66).
[2]DAMPE Collaboration, Measurement of the cosmic ray proton spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE satellite. SciAdv., 2019, 5 (9), eaax3793.
[3]DAMPE Collaboration, Measurement of the Cosmic Ray Helium Energy Spectrum from 70 GeV to 80 TeV with the DAMPE Space Mission. Physical Review Letters 2021, 126 (20), 201102.
责任编辑：胡惠雯
