“悟空”衛星在軌執行的前530天共採集了約28億高能宇宙射線，其中包含約150萬25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些資料科研人員成功獲取了目前國際上最精確的電子宇宙射線探測結果。該成果於2017年11月30日(臺北時間)在Nature雜誌線上發表。

與之前結果相比：

這個高能粒子顯然是電子啊。

除了電子，我們能測的也就是質子、光子、中微子等有限的幾種高能粒子。

而暗物質粒子到底是什麼？肯定不是我們已經知道的粒子。

現在我們測的是電子，如果運氣好的話，這個電子就是暗物質粒子相互碰撞的產物。

但是，目前來說這一探測成果還不能讓我們確認已經發現暗物質（否則就是天大的事情，可以媲美引力波的發現）——畢竟暗物質粒子到底是個啥我們還不知道，我們只是測到了一些反常的高能電子。什麼叫反常？就是這些電子在一條本來光滑的能譜曲線上是突然的一個尖峰，類似於本來是一場鋼琴獨奏，突然加入了二胡的聲音，你說這是什麼鬼？

既然不能肯定找到了暗物質粒子，那麼這到底是啥重要成果呢？只能這樣說：本次實驗發現了高能的反常電子訊號，疑似與暗物質相關——但因為暗物質是什麼我們不知道啊，所以只能靠猜。

這一“尖峰”此前從未被人觀測到，因此，這是中國取得的一項新成果，這一成果也可能對目前流行的弱相互作用大質量粒子的暗物質模型給出了強有力的限制（甚至可能淘汰這一模型，如果真淘汰，那也是大事），如果這些電子就是暗物質粒子相互碰撞產生的，那麼這也就給出了暗物質粒子的可能質量（知道質量了，那肯定也是大事，這就好像去相親，你還沒見到對方女生，但已經知道了這個女生體重160斤）。

總之，我們不能因為這個衛星叫暗物質探測衛星，就認定已經發現了暗物質。衛星叫啥名字不重要，重要的是科學內容。

是不是暗物質粒子還不能下定論，但這次觀測確實是發現一個之前所有實驗中都沒有出現過的現象。

1、在電子能譜大約1 TeV能量處呈現一個拐折，以往的實驗雖然也曾觀測到類似跡象，卻因為誤差很大不能明確結論，這是首次清晰無誤地測量出了這個拐折。

2、在能量月1.4 TeV處發現了一個尖峰狀結構，這是在之前實驗中都沒有看到的現象，這或許意味著在宇宙空間中存在質量約1.4 TeV的新粒子，或許就是人們長期以來苦苦尋覓的暗物質粒子。當然也有其他的猜測，例如也可能是脈衝星穩定轉動中形成感應電場，加速出的單一能量高能電子。無論是哪一種，都足以稱得上開創性發現，這一切都還需要繼續深入研究。

其中第2個發現便是題主所說的新發現的高能粒子，並不能確定是不是暗物質。但一旦確認了暗物質，我們對宇宙的認識將會有質的飛躍。

提示：以下內容無需知識量，可放心食用。

宇宙到底有多神秘？

這個問題可以用資料說話，在我們現在所能瞭解的各種各樣可觀測到的粒子，包括了光子、電子、質子、中子……很多很多都是可以觀測到的，他們大概佔了這個宇宙物質的4.9%，這是科學家估算出來的一個比例，就是這些物質，構成了我們現有的知識體系，例如牛頓被蘋果砸出來的萬有引力、阿基米德的撬動地球等等。宇宙尚有95.1%沒有被觀測到，這些未被觀測的物質，足以重新整理我們的世界觀無數次。

暗物質的概念提出是物理理論上的創舉，我們看不見它們，它們也無法被我們的現有的探測方法直接觀測，但它們確實存在，大概佔了宇宙的26.8%，遠比我們已知的4.9%多得多，所以說，如果我們真的揭開暗物質的神秘一角，就距離宇宙秘密更近一大步，甚至許多技術設想都可能被證實可行（真實可行還需要時間）。

既然暗物質不可見，不可觀測，我們要怎麼才能找到它們？

何謂間接探測？按照人類現有的知識理解，暗物質很有可能也是一種粒子，而且還是一種很穩定的粒子，只是凡事都有意外，它們偶爾也會相互碰撞導致湮滅，從而產生特定的普通物質或是反物質，典型的如正負電子對。

而這些正負電子對我們是可以觀測到，如果我們觀測時突然發現某一種物質突然增長並且完全無法解釋，就說明這些物質就是來自於暗物質。

（注：這個不懂的話，就理解為某一個很高的數值就好了，1TeV=1萬億電子伏特）

要知道，射線有許多種，而我們要觀測的正負電子射線則有著顯著的特點：帶電和質量輕。

隨後，在持續近2年的觀測中，28億例宇宙射線資料總結出了前文所說的2點特徵：

1、在電子能譜大約1 TeV能量處呈現一個拐折，以往的實驗雖然也曾觀測到類似跡象，卻因為誤差很大不能明確結論，這是首次清晰無誤地測量出了這個拐折。2、在能量月1.4 TeV處發現了一個尖峰狀結構，這是在之前實驗中都沒有看到的現象，這或許意味著在宇宙空間中存在質量約1.4 TeV的新粒子，或許就是人們長期以來苦苦尋覓的暗物質粒子。當然也有其他的猜測，例如也可能是脈衝星穩定轉動中形成感應電場，加速出的單一能量高能電子。無論是哪一種，都足以稱得上開創性發現，這一切都還需要繼續深入研究。

在1TeV處出現的拐折尚且不提，在1.4TeV處發現的電子射線異常增多，是一個前所未有的現象，如果真的是一個新粒子，這就是一個開創性發現，是不是暗物質都不打緊，至少有一件事是可以肯定的，物理課本在未來一定會被改寫。

恭喜未來的學生們，更難的題目來了。

是宇宙深處的電子和反電子，其能量之高，超乎人們的想象。是不是暗物質？用首席科學家常進的話來說“99.99%的可能，但也可能是超新星或者脈衝星加速機制產生的，因此還需要進一步積累資料才能夠予以確認。”

但不管它是什麼，這個發現意味著經典的物理學理論（這是上個世紀成型的標準模型），又到了將要更新的，新物理學的大門即將開啟。

悟空暗物質探測衛星是透過探測宇宙射線裡的高能成分，排除天體物理學其他來源，尋找異常高能的訊號來探測，可能的暗物質來源。從上個世紀開始，對宇宙射線的研究，已經為人類研究粒子物理、獲得對物質結構的理解，作出了重大貢獻，產生了好幾個諾貝爾獎。來自於宇宙的高能射線，也讓我們知道宇宙當中存在許多暴烈的物理過程。對於他們的研究，我們可以知道遙遠的宇宙當中存在的過程。

但是根據經典的物理學理論，由於高能射線和宇宙背景的碰撞，在這個TeV量級會出現能量截止。而暗物質模型預測的高能粒子也出現在這個位置。所以如果弄清楚這個位置是否有新的能量粒子出現，具體的譜線形狀是什麼樣子的，那些高能粒子的具體形成機制是什麼。可能尋找到來自於暗物質粒子碰撞產生的高能粒子（悟空號尋找的是產生的電子和反電子）。

悟空號暗物質衛星是以中國科學家為主進行研發和研究的。當然這個合作組，也包括來自於瑞士和義大利的科學家。在如今的大科學時代，國際合作組是很常見的，許多科學研究都需要來自於多個國家的技術支援和智力貢獻。科學共同體的開放性，是共同推進科學進步的保證。

目前，是否真的是來自暗物質的訊號，還需要繼續積累資料才能確認，不過新物理學已經叩響了大門。

臺北時間2017年11月30日凌晨2點，《自然》雜誌線上發表一篇來自中國的重量級科研成果，中國暗物質粒子探測衛星“悟空”號獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜，並在1.4TeV(萬億電子伏特)處發現反常結構，揭示宇宙中或存在相應質量的新粒子。如果這一發現得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，現有的很多理論包括暗物質模型都將受到衝擊。

對於這一新奇現象，中國科學院大學常務副校長、中科院院士吳嶽良認為：有兩種機制可能產生這種電子能譜。一種是鄰近天體短暫產生了高能電子，即現象來自“短暴源”，如脈衝星雲、超新星遺蹟。但是悟空號測得的能譜與通常脈衝星能譜的冪律指數有一定區別，表示該種可能性不大。另一種則是宇宙中存在可以連續產生高能電子的天體，即現象來自“連續源”，比如暗物質聚集在距離比較近的中等質量黑洞周圍，或是星系周圍存在大量的質量為一千萬倍太陽左右的暗物質子結構，形成一種“暗物質子暈”。

總之，悟空的暗物質實驗觀測到的1.4TeV附近的尖銳電子能譜，可以說揭示了暗物質粒子可能存在的新證據。目前，悟空號還在持續收集資料，如果這一發現（1.4TeV處的跳變）得以確證，必將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現，現有的很多理論包括暗物質模型都將受到衝擊。

揭開暗物質之謎，被認為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學之後，人類認識自然規律的又一次重大飛躍。

11月30日科技日報記者李大慶、張夢然、馮磊採寫的文章顯示， 倫敦時間11月29日，《自然》雜誌線上發表了中國科學家的一項研究成果：利用“悟空”衛星獲得了世界上最精確的高能電子宇宙射線能譜，這將對判定能量低於1TeV（1TeV=1萬億電子伏特）的電子宇宙射線是否來自於暗物質起到關鍵作用，並有可能為暗物質的存在提供新證據。

早在2015年12月17日，暗物質粒子探測衛星“悟空”發射成功，這是中科院空間科學戰略先導專項的首發星。“悟空”衛星首席科學家、中科院紫金山天文臺研究員常進說，“悟空”衛星是基於暗物質粒子湮滅或衰變的假設（即暗物質粒子的湮滅或衰變可以產生各種正、反粒子，這些粒子在太空中傳播就成了宇宙射線和伽馬射線的一部分）而工作的。“悟空”衛星便透過收集高能宇宙射線粒子和伽馬射線光子，並分析其能譜和空間分佈來尋找暗物質粒子存在的證據。

“悟空”採用了紫金山天文臺自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對高能（5GeV—10TeV）電子、伽馬射線的“經濟適用型”觀測。“悟空”在軌執行的前530天共採集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV（1GeV=10億電子伏特）以上的電子宇宙射線。基於這些資料，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果。

中科院紫金山天文臺研究員範一中說，電子能譜在高能區突然出現拐折，一定是有什麼“源”影響了它。現在我們不能確定就是暗物質影響了它，但如果能夠證明影響它的不是我們已知的物質，那就很有可能是暗物質了。

據常進介紹，與以前的測量結果相比，“悟空”的能量測量範圍比其他空間專案顯著提高，打開了宇宙觀測新視窗；“悟空”測量到的TeV電子的“純淨”程度最高，能譜的準確性更高；“悟空”首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1TeV處的拐折，其精確的下降行為對於判定部分電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵作用。當然，“悟空”的科學發現有待理論物理學家做進一步的分析闡釋。

對於這次暗物質探測上的進展，常進認為電子宇宙射線能譜在高能段出現了“引人矚目的現象”。中科院院長白春禮則認為，“悟空”成果的取得，表明中國科學家已經從自然科學前沿理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央，中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出終於有了回報。

在尋找暗物質的征途中，悟空號果然不負眾望。它不僅探測到與AMS-02和Fermi-LAT類似的能譜上升過程，還清楚地看到電子宇宙射線能譜在1TeV（1萬億電子伏特）處開始下降，也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整個過程。這對於理解這些特殊電子的起源非常重要。因為科學家已經構建了多種模型來描述暗物質的行為。這些模型預言了科學家觀測到的宇宙線能譜“鼓包”：相似的能譜上升過程、各異的能譜下降過程。換句話說，只有精確探測到“鼓包”的下降過程，才能確定哪個模型更加接近暗物質粒子的本質。科學家接下來要做的，便是根據“鼓包”的下降過程，分析其物理本質到底是什麼。

此外，悟空號的觀測還發現，能量為1.4 TeV的宇宙線粒子會突然增多。這暗示著在該能量附近可能存在新物理。比如宇宙中可能存在著質量為1.4TeV左右的暗物質粒子或者某種奇特的天體可以加速出單一能量的高能電子。目前悟空號執行狀態良好，正持續收集資料，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。（KP04）

施鬱

（復旦大學物理學系）

中國的暗物質衛星“悟空”號上天530天了。暗物質衛星透過探測電子能譜來尋找暗物質粒子，就是說，它探測的物件是電子，但是透過在各個能量電子的數量來推測有沒有暗物質。如果某些能量的電子無法用其他來源解釋，而只能用暗物質湮滅來解釋，那麼就是暗物質的跡象。

事實上，“悟空”所測量的電子能量範圍比較寬，純淨度高，準確性高。資料包括150萬個電子，從25GeV到5TeV （G代表1後面有9個0，T代表1後面有12個0），超出了AMS（丁肇中領導的放在國際空間站上的阿爾法磁譜儀器，測量範圍不到1TeV）和Fermi探測器（2個TeV）。

測量結果顯示了處於不同能量的電子的通量，在0.9TeV處有個拐折，然後在1.4TeV處有個峰。這是一個新結果。

如果這個現象無法用其他物理過程解釋，而只能用暗物質的碰撞和湮滅所導致的電子來解釋，那麼就是暗物質的一個表現。 但是，還需要深入的研究，需要更多的資料，從而排除它是統計漲落，然後還要排除其他原因。但是不管如何，這是一個新的結果。 相信會有更多更好的結果出來。

第一個是在九萬億電子伏特的地方出現了一個拐點。

第二個有趣的地方是在十四萬億電子伏特的地方出現了一個尖峰。

對於第一個結果，之前在H.E.S.S.陣列和國際空間站上的量熱電子望遠鏡已經看到了這種光譜拐點的跡象，但費米伽馬射線空間望遠鏡還沒有沒看到，不過之前看到的拐點跡象有比較大的誤差。這個拐點產生的原因是因為能量越高的粒子在真空中傳播越不容易。

而更有趣的是第二個尖峰，第二個尖峰是之前從來沒有看到過的現象。要知道一般能譜中出現一個尖峰意味著這個地方可能會具有某種這個能量的新粒子。而這個能譜是什麼就有各種各樣的可能性了。

首先，這個尖峰說明宇宙中存在著某種獨特的可以把電子加速到單一能量的機制。這個機制可能是超新星爆發，可能是黑洞，也可能是脈衝星死亡時留下的遺蹟。

當然，一種更激動人心的假設是，這個尖峰就是人們尋找已久的暗物質！

具體而言，其中最引人注目的有兩個特徵：一個是在1 TeV（eV是一個能量單位，意思是“電子伏特”，T是10的12次方，即1萬億。TeV就是下圖中10的3次方的GeV，G是10的9次方）處的拐折（這個已經非常確定了），另一個是在1.4 TeV附近的尖銳的能譜（資料量還不夠，尚待確認）。

這些是發現了暗物質嗎？

當然沒有。

但是確實是一個重大的進步，朝著發現暗物質的方向邁出了一大步。

暗物質是一個理論設想，來自用廣義相對論解釋許多天文觀測現象時的困難。人們發現，用可知物質的物質，不足以解釋星系結構等許多觀測結果。出於對廣義相對論的信任，人們寧可相信，這是因為宇宙中有大量的物質是看不見的，它們的引力作用補上了缺額，這就是暗物質。

你也許會問，既然看不見，還怎麼找？回答是：看不見只是說它們不發光，不參與電磁相互作用，但不意味著不參與任何的物理作用。無論如何，你仍然可以尋找它們發生作用後產生的次級效應，這可能反映在各個方面，有在天上的，有在地下的。悟空尋找的，就是天上的宇宙線方面的異常。

事實上，宇宙線的探測結果超出了已有理論的預測，這是早就知道的結果。丁肇中領導的國際合作專案阿爾法磁譜儀，就已經發現了許多這樣的證據。但是，這些只是定性的證據，要確定暗物質是什麼，就需要在更多的區域有更高的解析度。

我們現在還不能確定到底發現了什麼，但無論如何，肯定有新的物理，這就足以令人興奮了。無論最後發現的是暗物質還是其他的現象，都非常了不起。實驗家本來也不以驗證某個理論作為最重要的目標，發現新現象本身才是最重要的。

現在我們可說的就是：加油幹，大有希望！

好吧我重說...

「悟空」為什麼比較厲害？

「悟空」之所以被寄予厚望，主要是跟已有的Fermi、AMS-02，CALET相比，「悟空」在「高能電子、伽馬射線的能量測量準確度」和「區分不同種類粒子」兩方面本領比較強，在這兩項關鍵技術指標方面都處於世界領先地位，要知道宇宙線主要是質子，質子是電子的10000倍，而「悟空」要把電子區分出來，尋找暗物質粒子湮滅過程產生的一些非常尖銳的電子能譜訊號。

「悟空」獲得的這張圖是目前為止世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。圖中，橫座標是能量，單位是GeV，eV（讀作：電子伏）是一個能量單位，其物理意義是一個電子經過1 V 的電位差加速後所獲得的動能。縱座標是粒子密度，所以整張圖描述的其實是探測到的不同能級的高能粒子的密度，也可以說是數量。圖中，紅色資料點是「悟空」衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜，藍色資料點是美國費米衛星測量結果、綠色資料點是丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果。我們看到圖中每個點上還有一個小豎線，這個小豎線稱為「誤差棒」，用來衡量該點觀測資料的誤差，誤差棒越長表示誤差越大，越短表示資料越精確。不難發現，AMS-02和Fermi的資料基本在 1 TeV 後就沒有了，這說明「悟空」與其他衛星相比觀測的能段更寬，AMS-02（阿爾法磁譜儀）是不到1 TeV，費米大概在2 TeV以下，但是我們接近5 TeV，這個視窗的延伸對科學特別重要。當然啦，「悟空」也沒有十全十美，費米和阿爾法都是帶磁場的，能檢測出高能粒子的正負性，但是「悟空」不行...

這張圖引人注意的地方，有兩個，第一是電子能譜在大約1 TeV 能量處呈現出一個拐折；第二是在能量約1.4 TeV處發現一個尖峰。第一個現象，以現有科學水平基本解釋不了...(尷尬)，而1.4 TeV處的那個尖峰也是所有人都沒有預期到的新現象，這個現象意味著有兩種可能，一種可能是發現了被宇宙中某種加速器加速到1.4 TeV的電子，而這個加速器很可能是脈衝星。脈衝星是恆星死亡後留下的一種遺蹟，是一種極致密、強磁場、快速轉動的天體，脈衝星非常穩定的轉動形成的感應電場或許可以加速出單一能量的高能電子。要知道，這種單一能量的高能電子束之前只有在實驗室裡經過精密除錯的儀器才能獲得；而第二種情況，就是宇宙空間中可能存在質量（根據E=mc^2，質量能量等價）約1.4 TeV的新粒子，或許就是「暗物質」

什麼是暗物質？

「暗物質」故名思議就是不發光、看不見的物質，是指無法透過電磁波的觀測進行研究，也就是不與電磁力產生作用的物質。（暗物質區別於暗能量，暗物質貢獻引力，而暗能量貢獻斥力）最早提出這個設想是因為，天文學在幾十年前觀測星系的時候發現，這個星系周圍的引力比這個星系裡所有能發光、能探測的物質加起來能產生的引力要大，而且大的相當多，所以天文學家就設想有一種不發光但是能產生引力的物質，稱之為「暗物質」。目前，我們只能透過重力去感受暗物質的存在。

所以發現的到底是不是暗物質的呢？

其實不一定，因為被炒的很熱的1.4 TeV的那個尖峰，看上去其實沒有那麼明顯，很可能是統計漲落或者未知的系統誤差造成的，因為一般從天體物理學角度，置信度為5 sigma 才可以確定為發現，但是此次這個資料的置信度大約是3 sigma，所以究竟是真實存在，還是偶然誤差尚且不確定，即使確定了，究竟是暗物質還是脈衝星加速也不確定。而且，提出暗物質解釋1.4Tev尖峰的可能性，需要存在一個臨近的10^7-10^8太陽質量的暗暈。這個質量級別的暗暈在銀河裡比較少，大機率情況地球周圍沒有...所以結論就是，「悟空」衛星確實世界領先，非常厲害！至於是不是暗物質，相當不確定...