2015年12月17日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射暗物质粒子探测卫星“悟空”，此次“悟空”将去太空寻找神秘暗物质存在的证据，也标志着中国空间科学研究迈出重要一步。

▲暗物质粒子探测卫星“悟空”

暗物质到底是什么？为什么科学家们要上天入地苦苦追寻暗物质？8月20日，上海书展分会场科学会堂举办了一场人气爆棚的讲座，上海科协大讲坛邀请了三位重量级主讲科学家——中科院院士、上海交通大学天文与天体物理中心主任景益鹏院士；中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授；上海市粒子物理和宇宙学重点实验室主任季向东教授；为广大市民详释神秘的暗物质。

▲中科院紫金山天文台的副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进教授发言。

主宰着世界的暗物质到底是什么？

20世纪，科学家发现宇宙在不断膨胀，并发现了宇宙微波背景辐射，通过宇宙微波背景辐射，科学家推出了宇宙的年龄、能量密度和膨胀速度。问题在于，如果没有一类新粒子，其引力效应比已知粒子的引力效应大，那么宇宙就进化不成现在的样子。科学家们就把这种还没发现的粒子叫做“暗物质”，暗物质不发射光子、不吸收不散射光子，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力产生的效应感受它的存在。

季向东教授介绍：“宇宙当中可见物质占宇宙总能量5%，暗物质占了27%。所以从某种意义上讲，暗物质统治主宰了整个宇宙。我们可以确定的是暗物质的寿命一定很长，超过宇宙的寿命。世界许多理论物理学家提出了各种不同的理论，目前最主流的力量，将暗物质视作弱相互作用重粒子，叫WIMPS。弱相互作用是四大相互作用之一，李政道和杨振宁就是因为研究它而获得诺贝尔奖。”

“暗物质和普通物质几乎没有相互的作用，所以穿透力出奇的强。一个暗物质粒子，可以在地球的这一端，很轻松跑到地球另一端，也可以很轻松地穿过太阳。因此暗物质是不可能用个瓶子来装起来的。”季向东教授打趣道，如果有人要卖给你暗物质，可千万别相信。

暗物质有多大呢？根据目前理论，大概每平方厘米每秒钟，可能有上亿个粒子。“就是现在每秒钟、每平方米中，穿透你的暗物质粒子大概有上亿甚至上百亿。如果暗物质粒子跟普通物质没有相互作用的话，我们永远没有办法来感知它的存在。我们只有通过天文学，通过引力来探测暗物质的存在，但是我们没有可能在实验室当中来进行研究。”

既然无法在实验室研究，那么我们如何找到暗物质？

第一是模拟宇宙大爆炸，利用大型强子对撞机，把粒子加速再让它们相撞，模拟宇宙大爆炸之初的样子，看看能否撞出什么东西来，也许有助于发现暗物质。至今科学家用这一方法还未有发现。

第二种方式是直接探测。“许多理论家认为，暗物质很有可能有弱相互作用，因为弱相互作用，暗物质粒子就会与物体上的原子发生碰撞，我们就可以通过物理手段观测被撞飞的原子。”季向东说，“这一方法像‘守株待兔’，希望暗物质粒子能撞到我们身上。”

所谓“上天入地探寻暗物质”，这第二种直接探测法就是“入地”。季向东教授进一步说明，由于暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号极其微弱，想要听到这样的信号，必须在一个非常安静的地方。“就好比你不会在闹市区听音乐，我们则要逃到地底下去，越往下干扰越少。每往地下延伸1000米，宇宙射线的干扰就减少10倍。科学家就在地下挖一大坑，将精密仪器放在坑底探测。”

目前，世界上岩石覆盖最深的实验室就是中国四川锦屏地下实验室。锦屏地下实验室就藏身于锦屏山腹部的隧道中部，垂直岩石覆盖达2400米。与其相比，位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个游戏室。在川藏群山下，粒子物理学家最头痛的宇宙射线的强度仅为格兰萨索山区的1/200，为实验提供了“干净”的环境。

锦屏地下实验室二期工程施工现场。图片来自网络

▲锦屏地下实验室示意图。图片来自网络

讲完“入地”讲“上天”，“上天”就是目前第三种探测暗物质的方式——空间间接探测。“暗物质本身不可见，但它产生的一些粒子是可见的，通过探测这些可见的粒子，去间接推测或探测暗物质粒子，所以这叫间接法。”常进教授解释。

“由于暗物质粒子湮灭或衰变能产生伽玛射线、宇宙射线、中微子等人类可以观测的粒子，科学家找到了探测暗物质的契机。中国的暗物质粒子探测卫星，要在太空中高精度测量伽玛射线、宇宙射线的能谱以及空间分布，以此来间接寻找暗物质粒子存在的证据。”

“悟空”作为我国第一颗空间高能粒子探测器，暗物质粒子探测卫星拥有很多中国独有的技术。比如探测器最核心的组成部分——BGO量能器，既能测量粒子能量、又能区分粒子种类。量能器的BGO晶体，此前世界范围内最长只有30厘米，而中科院上海硅酸盐所成功研制生产出60厘米晶体。BGO量能器数据读出的动态范围，也是同类型探测器中最大的。

按照原定计划，暗物质粒子探测卫星上天之后主要进行巡天观测，即望远镜背对地球，对太空进行比较均匀的扫描观测，