有一個幽靈始終縈繞在我們身邊，留下許多蛛絲馬跡證明它確實存在，卻從沒有人看見或者摸到它的真身。如今，“悟空”睜開了火眼金晴，從紛繁複雜的亂象中抓住了一條關鍵線索，或許能夠幫助我們認清這個幽靈的真面目。甚至，“悟空”還隱隱看到了這個幽靈留下的半個身影。

這不是《西遊記》故事新編，而是今天凌晨悟空號合作組在《自然》雜誌上公佈的首批科學成果。

故事裡的“悟空”，全名是暗物質粒子探測衛星，隸屬於中國科學院，自2015年12月17日發射升空以來，就一直在距離地面大約500千米的太陽同步軌道上採集著數據。今天凌晨公佈的，是這顆衛星在運行的頭530天裡獲得的首批數據。

暗物質幽靈

“悟空”千方百計想要認清真相的那個幽靈，就是大名鼎鼎的“暗物質”。

顧名思義，暗物質指的是看不見的物質。不是因為沒有光照亮它們，而是因為光照不亮它們。

我們之所以能夠看到這個世界，看到身邊的桌椅板凳，看到遙遠的日月星辰，是因為這些東西，或者說這些物質，在最根本的層面上，能夠跟光互動——它們能夠被光照亮，或者能夠發出光亮。

暗物質則不同，它們和光形同陌路，互不理睬。用嚴謹的科學術語來說，暗物質不參與電磁相互作用，而光，我們知道，是一種電磁波。因此，暗物質不反光，不發光，也不遮擋任何光線。

與暗物質形同陌路的，不只有光，還有普通物質。分子和原子是普通物質構成的基石，這些基石能夠組裝在一起，本質上是它們之間的電磁力在發揮作用。也正是通過這樣的電磁作用，我們才能夠觸摸到這個大千世界。而暗物質，對這樣的電磁作用，根本就不屑一顧。

於是，對於由普通物質構成的我們來說，暗物質不只看不見，連摸都摸不著，就像一個幽靈，來自於完全不同的另一個時空。

既然看不見也摸不著，科學家憑什麼認定這個幽靈的存在千真萬確，甚至不惜派“悟空”闖入天庭去探查它的真面目呢？

因為萬有引力。

額外引力

傳說中，砸在牛頓腦袋上的蘋果讓他悟出一個真諦——使蘋果從樹上掉落的力量，同樣牽引著日月星辰在天空中依序運轉。

任何東西，只要擁有質量，彼此間就存在一種羈絆，使它們相互吸引。這種羈絆稱為引力，是宇宙中唯一能夠遠距離影響天體運行的力量。天體在宇宙中如何運行取決於它受到了多少引力，而所受引力又能反映出有多少物質蘊藏在它的周圍。

舉個例子，天王星被發現不久，就有人發覺，跟理論推算的軌道相比，它的位置總是出現偏差。就算考慮了當時已知的所有天體對它施加的吸引，也仍然有額外的引力在偷偷干擾它的運行。有人據此推斷，太陽系裡必定存在一顆當時還未知的行星，在特定的位置上施加了額外的引力。果然，沒過多久，海王星就在預測位置上被發現了。萬有引力定律因此深入人心。

然而，自上世紀30年代以來，在規模遠大於太陽系的宇宙尺度上，天文學家發現有越來越多的天體運行規律，就算把所有看得見的物質全都算上，也仍然需要有額外的引力才解釋得通。

在銀河系級別的旋渦星系裡，千億顆恆星繞著星系中心快速運轉。這些恆星速度之快，要是沒有額外的引力，它們會被甩到星系以外，令整個星系分崩離析。

在規模更大的星系團中，星系間瀰漫著能夠輻射出X射線的高溫氣體。這些氣體溫度之高，要是沒有額外的引力，它們早該消散在宇宙空間而成不了形了。

甚至，在宇宙演化早期，要是沒有額外引力的參與，普通物質也不會如此快速地聚集成團，形成如今我們看到的宇宙大尺度結構。

天王星受到的額外引力，讓天文學家推斷出了尚未發現的海王星。同樣，整個星系、星系團，甚至整個宇宙受到的額外引力，讓天文學家相信，宇宙中必定存在某種未知的物質，數量比普通物質更多，能夠產生足夠的額外引力。

由於看不見也摸不著，天文學家把這種未知的物質稱為暗物質。

露出馬腳

跟當年很快就被人找到的海王星不同，暗物質提出幾十年來，對於它到底是什麼，我們仍然一無所知。

理論學家推測，就像普通物質由一系列基本粒子構成一樣，暗物質可能也由一大類粒子構成。雖然這些粒子看不見也摸不著，但某些理論預言，

在地球大氣層外，宇宙空間裡充斥橫衝直撞的高能粒子，稱為宇宙線。這些粒子的來源始終成謎，或許大都來源於普通的高能天體物理過程，但也有可能，其中一部分來源於暗物質粒子的相互湮滅或者衰變。源於暗物質的高能粒子，特別是正負電子，或許會在電子宇宙線的總能譜上留下獨特的印跡。這正是“悟空”的的首要科學目標。

“悟空”的火眼金睛，其實就是一臺宇宙線望遠鏡，自上天以來，便持續不斷地記錄著來自宇宙的高能粒子。在運行的頭530天裡，“悟空”一共記錄到28億個高能粒子，從中分辨中150萬個高能電子，測量了它們的能量和來源方位。從這些數據中，科學家試圖找出暗物質粒子湮滅的關鍵證據。

看見拐折

早在“悟空”上天之前，科學家就在宇宙線裡的高能電子中察覺到了一些異常。比如丁肇中領導的阿爾法磁譜儀就發現，在粒子能量超出某個數值（10GeV）時，宇宙線里正負電子的比例大大超出理論模型的預期，似乎可以用暗物質粒子湮滅加以解釋。

如果真是暗物質粒子湮滅，那麼理論上來說，它所產生的高能電子就將存在一個能量上限，具體數值與暗物質粒子本身的質量有關。超過這個能量上限，高能電子的數目就將出現陡峭下跌，從而在宇宙線能譜中出現一個拐折。然而，不論是丁肇中的阿爾法磁譜儀，還是後來美國的費米空間望遠鏡，對高能電子都只能測量到最高1萬億電子伏特（1TeV），沒有在能譜中發現任何拐折的跡象。

相比之下，“悟空”的火眼金晴對高能電子能量的測量，最高能達到10TeV，是阿爾法磁譜儀和費米望遠鏡能量上限的10倍，就此打開了1TeV以上高能電子宇宙線觀測的新窗口。

結果也不負眾望。根據今天公佈的首批數據，在“悟空”看到的高能電子能譜圖上，預期中的拐折第一次確鑿無疑地顯現了出來。以0.9TeV的能量作為分界，左側電子的數目變化相對平緩，右側卻要陡峭得多。

如果這一拐折真由暗物質粒子產生，理論上科學家甚至可以根據拐折的形狀，推斷出暗物質粒子的一些特性。比如它們並不是直接湮滅成正負電子對，而是先湮滅到正負μ子，再衰變到正負電子。

不過，直接觀測到這一拐折，還稱不上是暗物質粒子存在的確鑿證據。畢竟，其他天體物理過程，比如脈衝星周圍的高能現象，也有可能產生形狀平緩的類似拐折。這一拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，對於判定能量低於1TeV的電子宇宙射線是否來自暗物質起到了關鍵性作用。

半個身影？

推開一扇新的窗口，除了看到預期中的美景之外，我們往往還會留意到一些意料之外的驚喜。“悟空”也是如此，除了拐折，似乎還隱隱看到了這個暗物質幽靈留下的半個身影。

在1TeV的能量之上，也就是在拐折的右邊，高能電子的數目已經開始陡峭下跌。然而，就在1.4TeV處，高能電子的數目卻多得異乎尋常，高高跳到了擬合曲線之上。似乎在附近很狹窄的能量範圍之內，宇宙線中高能電子的數目出現了一個尖銳的峰值。

如果這個異常數據是真實的，那必將是一個重大發現，因為能夠發出高能電子形成如此尖峰信號的天體，必然極其特殊。首先，這個天體必須靠近地球，只能有大約幾百光年，因為這麼高能量的電子無法在宇宙中傳播更遠的距離。其次，它發出的高能電子能量必須要幾乎完全一致，在地球上只有經過精細調節的大型加速器才能達到類似的水平。

甚至，有理論學家提出了新的暗物質粒子模型，讓它們聚焦在地球附近，可能是自己成團，也可能是被某個中等質量原初黑洞吸引，通過碰撞湮滅來產生能量一致的高能正負電子，試圖通過這種不可思議的模式來解釋這個尖峰。

當然，現在就來解釋這個尖峰，還有點為時過早。今天公佈的首批數據，只是“悟空”在運行的頭530天裡採集到的。由於宇宙線裡的高能粒子存在隨機性，明顯離經叛道的數據點也可能只是統計漲落，未必就是真實信號。好在，“悟空”健康狀況良好，預計可以在太空繼續服役3到5年，採集更多高能電子宇宙線的數據。或許只有到了那時，才能確切判斷這個尖峰是否真實。

至於暗物質粒子被發現的捷報，或許還需要等待更長久的時間吧。

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