12月16日下午，中国科学院国家空间科学中心宣布，将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”。这颗承载着中国人空间科学梦想的“悟空”，将在酒泉卫星发射中心飞天，有望为物理学基础科学带来新的重大突破。作为中国科学系列卫星的首发星，暗物质粒子探测卫星拥有能够洞察宇宙暗物质的“眼睛”，其观测能段范围之宽、能量分辨率之优，超过国际上同类探测器。

事实上，从天文学家第一次推测暗物质的存在已经过去了80多年，从天文学家作为一个整体全面承认暗物质的存在也过去了30多年，我们只是由对大型天体系统观测间接地推测暗物质的存在，还没有人直接探测到暗物质。

本世纪以来，国际上相继开展了20多个暗物质探测实验，利用各种技术来寻找暗物质。特别是近年来，竞争更为激烈。来自意大利、美国、德国的实验组先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信号，这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。

“暗物质”是什么？

暗物质是宇宙中最为神秘的物质之一，我们无法通过肉眼看到暗物质，它是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到（约4.9%）。暗物质无法直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。

“暗物质”是如何慢慢进入公众视线的？

1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质称为“暗物质”。

那么，暗物质的存在最早由谁提出？

据公开资料显示，1932年，荷兰天体物理学家奥尔特（J·H·Oort）在研究太阳附近的银河系物质密度时意外发现，这一区域所有恒星的质量总和只占计算得到的引力质量的30%—50%。换句话说，在太阳附近有一半以上能产生引力的物质是看不见的。他因此提出了银河系中存在大量暗物质的假说。 第一次发现暗物质存在的证据已是5年后。1937年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。这个有些复杂的推导表明，除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其他引力。 弗里兹·扎维奇如此解释：遥远的星系团里有一些物质很独特，它们既不发散光，也不吸收光、反射光，它们对自然界的绝大多数“力”拥有免疫力，星系团似乎没有足够的可见物质可以将它们“捆绑”在一起。 直至1970年，美国华盛顿卡内基研究所的女天文学家鲁宾（VeraC·Rubin）发表第一个清晰的观测证据，表明暗物质在星系中普遍存在，论证了“绝大部分星系都被暗物质所包围着”。

探测“暗物质”存在的最新研究成果是什么？

2014年9月20日上午，山东大学工学博士程林教授受诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中先生委托，在国内发布阿尔发磁谱仪实验AMS(Alpha- Magnetic Spectrometer)团队的最新研究成果。 据程林教授介绍，目前AMS已发现了1090亿个电子与反电子，测量的反电子分率在停止增加时的能量为275±32 GeV，这是半世纪以来的宇宙射线实验首次看到反电子分率的最大值。反电子分率的精确测量对了解暗物质的来源很重要，这一结果与2013年4月AMS项目第一次公布的实验结果将共同成为人类探测暗物质的重要里程碑。 “阿尔法磁谱仪既是一个伟大的科学实验，同时它又是一个非常巨大的技术的平台，是一个不断产生新思想新发明新技术的这样一个过程。”程林教授说，AMS是一个粒子物理探测器，对电子、反电子以及电子与反电子总和进行许多独立的测量。在收集了410亿个宇宙射线数据后，AMS测量了电子与反电子总和的流量。总流量是平滑的，并揭示了新的信息。最有趣的是在高能量且在很宽的能量范围内，总和流量可以由单一不变的谱指数描述。反电子分率、各种流量以及总和流量的精密测量是互补的。以上的结果使我们对高能宇宙射线的来源有了更深入的了解，并让暗物质存在的争议更加明朗。 由丁肇中教授领导阿尔法磁谱仪(AMS)项目是目前世界上规模最大的科学项目之一，2011年5月16日由美国“奋进号”航天飞机送入太空，是目前唯一永久安放在国际空间站上的具有开创型的大型科学实验。AMS以探测外层空间反物质、暗物质，以及宇宙射線的起源为目的，建造过程有16个国家和地区的600余名科学家历时16年完成。

为什么我们的地面探测器很难观测到“暗物质”？

英国南安普顿大学的研究人员提出一种基本微粒，或许可以揭开暗物质的神秘面纱。研究人员认为，暗物质从未被直接观察到的原因之一，或许就是暗物质微粒比我们之前认为的要更轻，质量或许只有电子的0.02%。 James Bateman博士称：“我们的候选粒子听起来很疯狂，但是目前似乎没有试验或者观察能够排除其可能性。我们的研究表明，暗物质的广泛影响从未被直接观察到的原因之一或许就是因为它们比我们之前推测的要更轻。” 这种假设粒子的质量只有电子的大约0.02%。虽然它不与光产生交互作用，但是它与正常物质会产生惊人的相互作用，而且或许无法穿过地球的大气层。如果真的是这样的话，地面的探测器就不太可能观测到它们。

参考文献

【1】李淼，《暗物质粒子到底何时现身？》，果壳网，2013年4月25日。 【2】李华梁，《中国科学家：我们已接近发现暗物质的边缘》，新华网，2015年9月23日。 【3】雷雨、郑莹莹，《捕捉无形暗物质》，《南方日报》，2013年5月13日。 【4】刘祺，《山东大学发布人类对暗物质探测最新研究成果》，人民网，2014年9月20日。

【5】过客，《科学家提出新粒子理论，试图揭开暗物质面纱》，腾讯网，2015年2月4日。（本文作者系光明网科普专栏作家）