上週中國航天日的時候
我們的月球車月兔2號
為中國航天家族送上了一份生日禮
航天家族的插畫全家福
其中有一幅格外有萌點
是畫給@暗物質粒子探測衛星-悟空 的
或許很多人還不知道
發射於2015年的悟空號
是目前世界上觀測能段範圍最寬
能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星
根據此前計劃他將在今年退役
那麼“火眼金睛”的悟空所負責觀測的暗物質
究竟為何物呢
No.1
發現暗物質
“悟空號”曾經在2017年11月公佈過兩大讓人驚喜的重要發現：
1：首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1 TeV處的拐折，為判定部分電子宇宙射線是否來自於暗物質湮滅起著關鍵性作用。
2：宇宙線高能電子約在1.4TeV附近呈現出尖銳的能譜，暗示了暗物質粒子存在的可能的新證據。
簡單來說，就是證明了暗物質可能真的存在。
暗物質作為宇宙中最玄妙的東西，是人類追尋多年的宇宙魅影。那麼它是怎麼被發現的呢？
這就要追溯到上世紀30年代，源自瑞典天文學家弗里茲·扎維奇觀測到的一次星系“發神經”現象。
1933年的一個夜晚，弗里茲·扎維奇在日常“仰望星空”的時候突然發現一個奇怪的現象：星系相互之間的速度太快了。
這個現象讓“超新星之父”扎維奇來勁了，他通過星系團的運動速度等數據，計算了星系團該有的質量，進而觀測整體的光度後發現：后髮座星系團的質光比遠大於太陽的質光比。
所謂星系團是星系的集合體，可以包含數百個明亮的星系，這些星系由共同的引力場束縛。扎維奇觀測的星系團位於后髮座內，因此被稱為“后髮座星系團”。
按理說后髮座星系團的質光比應該比太陽的質光比小，但后髮座星系團在光度低於太陽光度的同時，質光比卻大於太陽。
這個“異常”的結果只能說明後發座星系團的整體質量大於太陽。但我們當時天文界所知的后髮座星系星體的質量遠遠低於計算出來的質量。
這就暗示著后髮座星系團中存在著我們難以看到的物質質量，這一結論確讓“暗物質”第一次正式地被人類“看見”。
不過，這一概念突破性的結論在當時未能引起學術界的重視，畢竟這是科學界不是娛樂圈。
時間到了20世紀70年代，美國天文學家維拉·魯賓在觀測仙女星系的星體時發現：無論仙女星系中的星體距離星系中心多少，其旋轉速度始終不變，甚至有上升趨勢。
根據牛頓定律和開普勒定理：在太陽系中，速度的平方應該是與距離成反比的，也就是說距離太陽越近的地方，行星公轉的速度越快，距離太陽越遠其旋轉速度越慢。
但魯賓觀測到的星體旋轉曲線卻不符合這個定理：星體距離銀心越遠，旋轉速度一樣或者速度越快，這與牛頓定律的后髮座星系團部分的旋轉速度趨於遞減是相悖的。
這——不——科——學，魯賓這樣想到，這是為什麼？
仙女星系也屬於太陽系，本質上應該符合牛頓定律。如果存在的引力是一樣的，速度越來越快的情況下沒有被甩出去，這隻能說明在其運動的最外面有一種巨大質量的物質把這些高速運轉的恆星圍起來了。
“暗物質”的存在再一次被“看見”。
2006年，錢德拉X射線衛星拍攝到了“子彈星系團”的照片直接證實了扎維奇所說的暗物質的存在。
這個星系團叫做“子彈星系團”，圖中藍色部分是我們通過引力透鏡的方式模擬出來的該星系團實際的質量分佈，但我們實際看到的只有圖中閃爍的星體質量，紅色的部分是通過x射線探測出來的普通的氣體雲。
科學家們推測大概在一億年前，兩個子星系團發生碰撞，氣體雲（紅色區域）發生碰撞靜止不動，但藍色的區域沒有靜止而是自然的穿插其中，於是科學家們推測這可能就是大名鼎鼎的暗物質。
No.2
什麼是暗物質？
根據科學家們的觀測和推算，我們生存的宇宙中，有95%的部分是暗物質。但事實上，作為普通人我們似乎從未意識到他的存在，這也是暗物質被稱為“幽靈”的原因之一。
日本科學家曾試圖通過XMASS實驗驗證暗物質的存在：他們在地底下裝了巨大的水槽，水槽裡面安放了裝有液態氙的水罐，如果暗物質存在的話，氙會發光。
但這個實驗進行了5年，一無所獲。
我們都知道，即使是看不見的空氣，我們依然還是能通過觀測、數據去感受和“看”到氣流的震動。如果真的存在如此大量的“暗物質”，那麼暗物質到底是什麼呢？我們又怎麼讓他們“現出原形”呢？
根據仙女星系團的出現的“怪”現象、錢德拉x射線衛星拍到的圖以及其他更多的證據，科學家們推斷目前已知的暗物質特徵有三點：
第一，看不見、摸不著。
第二，提供引力。
第三，不進行電磁作用。
更多關於暗物質的特徵，全球科學家們還在進一步研究中。但暗物質的“三個老大難”：難以觀測、難以捕獲、難以製造，都給它的存在蒙上了一絲神秘色彩。
不過，科學家追尋真相的腳步是不會停歇的。
2011年5月，諾貝爾獎得主、美籍華人丁肇中就主導了獲得廣泛關注的阿爾法磁譜儀計劃，簡稱AMS，這個計劃由來自16個國家的600多名頂尖科學家共同參與，其中最重要的一個研究方向就是“暗物質”。
他們通過在空間站上安置的阿爾法磁譜儀在外層空間收集宇宙線粒子，從而間接“看見”暗物質，即當兩個暗物質粒子發生碰撞的時候，他們會產生特殊的宇宙射線從而被AMS裝置“抓”住。
要知道光是這個裝置的造價就高達20億美元，如果再算上其他的人力物力，花在“暗物質”身上的錢可以說是真正的“天文數字”。
或許不少人會在心底打出一個問號，假使“暗物質”並不影響我們當下的生活，而科學家們追尋的答案又看起來如此“渺茫”，為什麼我們還要去追尋“黑暗”的痕跡呢？
借用悟空號的一句話：“尋找暗物質存在的證據，並不是尋找黑暗，而是為了看見科學的光明。”而這就是生命存在的意義之一吧。
引用：
[1]Ryotaro Kase, Shinji Tsujikawa. Weak cosmic dark energy with a Lagrangian formulation [J] . Physics Letters B, 2020.
[2] Jens C. Niemeyer. Small-scale structure of fuzzy and axion-like dark matter[J]. Progress in Particle and Nuclear Physics,2020.
[3]鍾萃相. 哈勃定律的證明與宇宙膨脹的真相及暗物質和暗能量.科學技術創新[J],2019.
[4]高凌雲. 暗物質只通過引力相互作用的新證據[J].現代物理知識，2018.
部分圖片來自BBC電視劇《黑暗物質第一季》
