♦ 文編／林素卿

近日，暗物質衛星「悟空」發射升空，作為大陸首顆專門從事基礎科學研究的衛星，即將展開科學任務。

不同於以往發射的其他衛星，這是大陸首顆專門用於基礎科學研究的探測衛星。「悟空」的探測目標也不像「嫦娥」和「玉兔」那樣清晰明了，它要尋找的是一種天文學家幾乎肯定它存在，卻沒有人確切知道它是什麽的東西——暗物質。

從上世紀30年代起，天文學家就從觀測中陸續找到了一些證據，暗示宇宙中物質的質量遠遠大於所有可見物質的總和。比如，他們發現銀河系裡千千萬萬顆恒星的運動速度大於預期，如果沒有更多的東西施加額外的引力，銀河系本身就會被甩得分崩離析，根本不能凝聚成形。再比如，星系團之類的龐大天體能夠彎曲星光，扭曲並放大背後更遙遠星系的影像，通過這種引力透鏡效應，天文學家發現星系團的質量遠遠超出其中發光物質的總和。於是，天文學家假設宇宙中存在一類看不見的物質，稱它們為暗物質。結合現有的天文觀測證據，天文學家普遍相信，宇宙中暗物質的質量大約是普通物質的5.5倍。

那麽，暗物質到底是什麽？這個問題，到現在為止都還沒有確切答案。主流理論認為，暗物質可能由一大類粒子構成，它們被稱為弱相互作用大質量粒子（WIMP）。

不同於構成我們身體及周邊所有物品的基本粒子，這些暗物質粒子本身質量較大，卻不參與任何電磁相互作用。不要小瞧這一「絕技」。歸根到底，我們看得見、摸得著、嘗得出、聞得到、聽得清身邊的其他東西，都是電磁相互作用在其中貢獻力量的結果。所以，完全不參與電磁相互作用的WIMP粒子，就相當於是粒子世界中本領高超的隱身胖子，既看不見，也摸不著，更不要說用其他感觀去感受它了。

對於這些擅長隱身的暗物質粒子，科學家有用什麽辦法來探測它們呢？一種辦法是主動創造這些粒子。根據愛因斯坦的質能方程式E＝mc2，能量和質量是等價的，在一定條件下可以相互轉換。如果把足夠高的能量濃縮在極小的空間體積之內，就像科學家在大型強子對撞機裡進行的粒子碰撞實驗一樣，這些能量就會轉化為各式各樣的粒子四散奔逃，被科學家設置在周邊的各類探測器記錄下來。如果能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產生出暗物質粒子——而暗物質粒子是隱身的，無法被周邊的探測器記錄到。於是，在科學家看來，這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果發生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質粒子的存在提供直接證據。

另一種辦法是守株待兔。暗物質粒子可以說是無處不在，每秒鐘可能有上億個暗物質粒子穿過你的眼睛。當然，由於它們隱身能力超強，我們對此毫無知覺。不過，根據理論，這些粒子仍會參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內部發揮作用。因此，盡管暗物質粒子是隱身的，並不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個「樹樁」。

被暗物質粒子撞上的原子核會發光發熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動是科學家有可能探測到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質粒子撞上去的幾率低到幾乎可以忽略。科學家只能採用一個笨辦法，準備好一大片森林等兔子來撞。他們在巨大的探測器裡裝上大量反應物質，等待過路的暗物質粒子碰巧撞上其中某個原子核。當然，為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產生的干擾，科學家往往把這樣的暗物質探測器深埋在地下，讓厚厚的岩層把不會隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。

第三種辦法，那就是等這些隱身的粒子自行現身。某些理論預言，當兩個暗物質粒子相遇時，它們會相互湮滅，產生出高能的伽馬射線，或者產生出高能的正反粒子對。這就好像兩個隱身人在相遇的一瞬間，突然脫去了隱身斗篷，不只變成兩個普通人，甚至還發出了耀眼的光芒。不論是伽馬射線，還是普通的反物質粒子，都是可以直接探測到的。如果科學家在暗物質集中的地方探測到了過量的伽馬射線，或者在宇宙中探測到了來源不明的高能反物質粒子，它們就有可能來源於反物質粒子的湮滅，從而給反物質的存在提供間接的證據。不過，由於這些信號無法很好地穿透地球大氣層，用這種方法來間接尋找暗物質的探測器，必須被發射到地球以外才能夠發揮作用。

今天大陸發射升空的「悟空」暗物質探測衛星，採用的便是這第三種辦法，到太空中探測高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質存在的證據，並推斷出它們的某些性質。