在天文學界和物理學界，有一個被科學家稱為世紀之謎的問題待解，這便是暗物質(zhì)。

　　為了探究這個奧秘，找到暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，2011年，中國科學院正式將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星列入中國科學院戰(zhàn)略先導專項空間科學項目，并作為我國科學衛(wèi)星系列的首發(fā)衛(wèi)星。經(jīng)過4年多的籌備，衛(wèi)星已經(jīng)完成研制并整體交付。今年年底，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星將在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地擇機發(fā)射。9月29日，探測衛(wèi)星的牽頭研制單位——中國科學院紫金山天文臺在南京舉行了衛(wèi)星全球征名活動的啟動儀式。

　　暗物質(zhì)是什么

　　不帶電荷也沒有電磁場相互作用，像幽靈一樣能穿透阻礙物

　　“千萬別相信你的眼睛，有些東西不是用眼睛就可以看到的，比如說暗物質(zhì)�！闭劦竭@個話題，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺研究員常進就像在說一個從未謀面的朋友，既親切又陌生。

　　暗物質(zhì)是什么？“宇宙中，我們能看見的物質(zhì)，都因為帶有電子而能‘發(fā)光’，而我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。與此不同，暗物質(zhì)是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。因此盡管我們周圍存在暗物質(zhì)，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子，但并不能為我們所看到或感覺到�！� 常進說。

　　那么我們判斷其存在的根據(jù)是什么？

　　暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星項目組成員、紫金山天文臺助理研究員馮磊介紹，支持暗物質(zhì)假說主要的觀測證據(jù)之一是旋轉(zhuǎn)曲線。行星圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)，其速度由這兩者吸引力的大小決定，而吸引力的大小又取決于兩者的質(zhì)量。在研究漩渦星系時，科學家發(fā)現(xiàn)，其吸引力所需要的質(zhì)量遠遠超出我們所能觀測到的物質(zhì)總量，否則行星就會沖破引力的束縛飛向茫茫宇宙，因此進一步推斷，在人類已知的物質(zhì)之外，還有另外一種物質(zhì)存在。

　　此外，引力透鏡的一些發(fā)現(xiàn)也支持著暗物質(zhì)假說的成立。和光線通過玻璃透鏡會偏轉(zhuǎn)一樣，宇宙線在通過大質(zhì)量的物質(zhì)周圍時也會發(fā)生偏轉(zhuǎn)�？茖W家們在研究子彈頭星系團時發(fā)現(xiàn)，主要導致光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)的地方并沒有看得見的物質(zhì)存在，這說明，有一種我們所看不到的暗物質(zhì)存在。此外，對暗物質(zhì)的假設還立足于對宇宙微波背景以及Ia型超新星的觀測等。

　　用什么方式找

　　目前主要通過散射實驗、湮滅實驗以及產(chǎn)生實驗這三種方式

　　尋找暗物質(zhì)的過程對科學家們來說，就像是和幽靈捉迷藏。到底怎樣才能找到暗物質(zhì)呢？

　　常進介紹，目前世界范圍內(nèi)大致有三種方法來對暗物質(zhì)進行捕獲。第一種是基于暗物質(zhì)能與普通物質(zhì)產(chǎn)生互相作用的假設。簡單地說，研究過程就是將一個靜止的靶子設置好，如果暗物質(zhì)打進來，帶電原子核就會飛出去，科學家也將能捕獲其信號。目前，各國有不少這樣的散射實驗項目，其中我國四川錦屏的地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實驗室。在這個領域，歐洲的DAMA實驗團隊曾聲稱已經(jīng)觀測到暗物質(zhì)，但包括美國LUS團隊和四川錦屏團隊在內(nèi)的其他探索，均未證實此發(fā)現(xiàn)。

　　散射實驗如此之難，于是產(chǎn)生了第二種方法，觀測暗物質(zhì)衰變或湮滅后產(chǎn)生的可見粒子。這種方法是基于暗物質(zhì)自身會湮滅產(chǎn)生可見物質(zhì)的假設。常進介紹，世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì)，當一個物質(zhì)遇到一個反物質(zhì)的時候，兩者都會被摧毀，由此產(chǎn)生巨大的能量。但是暗物質(zhì)非常獨特，它的反物質(zhì)就是本身，如果暗物質(zhì)粒子和自身的反物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，那么所產(chǎn)生的能量將更大。假如能夠監(jiān)測到暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的是高能電子，其流量遠高于正常值，通過這種湮滅實驗間接證明了有暗物質(zhì)的產(chǎn)生。諾貝爾獎獲得者丁肇中研制并放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號、上個月日本發(fā)射的量能器電子望遠鏡，以及我國即將發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星等，都是基于對宇宙線的探測而尋找暗物質(zhì)的間接嘗試。

　　還有一種尋找暗物質(zhì)的方法，是基于可見物質(zhì)相互作用能產(chǎn)生暗物質(zhì)的假設，用大型質(zhì)子對撞機探測，兩束高能粒子對撞產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，也就是產(chǎn)生實驗。例如在歐洲核子中心，就有此方面的研究，但目前尚未發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)。

　　衛(wèi)星如何找

　　通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子

　　為了進一步尋找暗物質(zhì)，2011年，中科院紫金山天文臺自主提出暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星計劃。2015年底，首顆探測衛(wèi)星將被放入外太空尋找暗物質(zhì)。

　　這與以往的探測手段相比有什么優(yōu)勢？

　　“在地球表面，宇宙線經(jīng)過大氣層時被屏蔽了，這阻礙了觀測。所以我們需要‘上天’或者‘入地’，以減少屏蔽干擾�！卑滴镔|(zhì)衛(wèi)星科學應用系統(tǒng)總設計師伍健介紹，和此前的探索手段相比，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星能探測的粒子的最大能量大約是阿爾法磁譜儀2號的10倍；同時，能量分辨率更高，比NASA費米衛(wèi)星的準確率提升了10倍，并能觀測阿爾法磁譜儀2號所無法觀測的光子；此外，還提高了電子與質(zhì)子相互區(qū)別的能力，將對兩者的誤判下降到幾十萬分之一。

　　值得一提的是，在以往的探測手段中，熱氣球雖然造價低，但運行不太穩(wěn)定；阿爾法磁譜儀2號雖然能夠長時間觀測，但耗資高，造價大約是20億美元。我們這顆衛(wèi)星的造價約為7億元，相比之下耗資少，重量輕，被寄予厚望。

　　常進介紹，衛(wèi)星的主要任務是通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子。該衛(wèi)星的有效載荷屬于大型空間高能設備，由塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器四層科學探測器組成，包含近8萬路電子學信號通道，是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子空間探測器。

　　“它在發(fā)射升空后，將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，四層科學探測器將面朝太空，全面接收來自宇宙的高能電子和伽馬射線。這相當于在宇宙中放置了一臺除去大氣層面紗的‘超高清望遠鏡’，所有收集到的科學數(shù)據(jù)將完整保存，并實時傳回地面。目前，衛(wèi)星在通過驗收，并且在歐洲等地反復實驗后，已整體交付給衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)。”常進說。

　　暗物質(zhì)距離人類生活如此遙遠，科學家為什么愿意花這么多時間、精力和成本去尋找？

　　“這一方面源自人類對于未知的好奇心和求知欲，另一方面，科學研究的價值和意義雖然有時在短期內(nèi)無法顯現(xiàn)，但卻往往能帶來一些效果顯著的‘副產(chǎn)品’，給科技和生活帶來變革。”伍健說。例如在這顆衛(wèi)星的研制過程中，曾需要一種BGO晶體，但此前世界范圍內(nèi)最長的該類晶體只有30厘米，科學家們?yōu)榇烁�新了技術，實現(xiàn)晶體60厘米的突破，并將其應用在工業(yè)和國防領域。

　　發(fā)射升空后，除了尋找和研究暗物質(zhì)粒子，這顆衛(wèi)星還將致力于研究宇宙線起源和伽馬射線等，推動我國空間科學發(fā)展。