在我们的宇宙中，人类目前能直接观察到的是物质和能量，但是在物质和能量之外，还有暗物质和暗能量，不过要观察他们并不容易。比如暗物质，科学家们认为它是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，光子、中微子、电磁波和引力场都能在暗物质中穿越，且畅通无阻，它几乎不与任何物质发生物理和化学反应，但是它又的确是宇宙的重要组成部分。

1915年，爱因斯坦根据他的相对论推论宇宙质量的多少，但是之后的天文观测与他的推论并不对等，于是天文学家们认为还有大量未发现的物质存在，之后，人们通过不同的观测手段发现了暗物质存在的间接证据。

暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星。不过暗物质的密度非常小，只是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中26%的物质含量，而可见的物质只占宇宙总物质量的约4.9%，至今暗物质还无法直接观测到。

不过现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量，4.9%的重子物质，26.8%暗物质组成。

我国发射升空的悟空卫星就是主要研究暗物质的探测器，其在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线，包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线，虽然还没有直接观测到暗物质粒子，但全球天文学家都对其充满期待。相信暗物质被直接发现将会在不远的将来实现，届时将正式开启一门全新的天文学科，对暗物质的研究也将揭开著多的宇宙奥秘，让我们能从更根本的基础上研究宇宙的起源、形成、演变以及未来。

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纵观物理学史，人类物理学上伟大的发现都是源自对生活不断的思考和提问。阿基米德在洗澡的时候通过水面上浮发现了浮力，牛顿通过一个苹果落在地上发现了引力，爱因斯坦通过对时空的观测发现了相对论，即便如此物理学仍然面临着很多未解之谜，就比如：暗物质。

什么是暗物质？

暗物质的提出实际上是源于宇宙中很多无法解释的现象，比如人类在观测仙女座大星系时发现，如果按照现有理论星系外部的星体由于距离中心较远，应该是低速运转，但事实却是和内部星体的旋转速度差不多，而要维持如此高的旋转速度克服离心力，现有观测到的物质所提供的引力是远远不够的；再比如，人类猜测宇宙的膨胀应该是减速的，因为能量存在着损耗，但事实宇宙却是在加速膨胀！再比如，人类通过现有理论估测了宇宙的质量后发现，与能够维持现有状态的宇宙真实质量相差甚远。为了解释上述一系列问题，人类提出了暗物质概念。根据估算，宇宙中我们发现的物质仅占5%左右，而暗物质占到了25%左右！（暗能量占70%左右）

暗物质是如何被证实的呢？

根据广义相对论，大质量的物质可以让周围的光线发生弯曲，人类在宇宙中确实发现了某处看似没有大质量物质存在，但光线却发生了偏移的现象，因此间接证实了暗物质的存在。

暗物质有什么特征？

普通物质能够受到电磁力的影响，发光或者吸光，可以被我们发现，而暗物质由于观测不到，所以我们猜测他应该是透明的，并定义：暗物质既不发射、不吸收也不散射光子，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力效应感受到它的存在。简单的说就是一些提供着引力的神秘物体。

如何探测暗物质？

人类目前探测暗物质有三种方法：

第一种，通过模拟宇宙大爆炸来探测暗物质的产生，因为有可能暗物质是在宇宙大爆炸时期留下的产物。

第二种，通过探测暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号来寻得蛛丝马迹，但由于暗物质粒子和普通物质粒子碰撞的概率太小了，所以目前还没有什么进展。

第三种，人类猜测暗物质粒子同样存在寿命，那就好办了，因为粒子可能会存在湮灭或者衰变，该过程发出的宇宙射线便有可能会被太空中的探测器探测到。这种方法被称作空间间接探测法。人类目前在这种探测方法上花费了大量心血，比如我国的“悟空”号探测器凭借着自己的火眼金睛，在19个月的时间里，累计探测到了约30亿个高能粒子。这对于暗物质的研究起到了重大作用。

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一旦暗物质的精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

悟空号本质上是一个宇宙线探测器。它通过收集宇宙线的信息来寻找暗物质的蛛丝马迹。悟空号搭载的高能宇宙线探测器由四个子探测器组成，分别是塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器。这四个探测器就是悟空号的“火眼金睛”，可以精确测量宇宙线粒子携带的能量，入射角度等信息。其观测对象包括宇宙线正负电子、伽马射线、质子、氦核以及更重的核素宇宙线。

悟空号的特点是研发成本相对较低，但性能先进。国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪（AMS-02）、费米卫星（Fermi-LAT）分别耗资20亿、7亿美金，悟空的全部费用仅仅是AMS-02的二十分之一。悟空号采用的是紫金

山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法，使它在高能电子、伽马射线的能量测量准确度以及区分不同种类粒子两方面领先于世界同类探测器。这些优势赋予悟空号寻找尖锐能谱信号的强大能力，第一批数据结果也印证了这一点。

超新星爆发等剧烈的天体物理过程会形成高能电子。这些电子在宇宙中穿梭、互相碰撞、交换能量，形成了电子宇宙线背景。科学家将宇宙中这些电子的数量随能量的变化画成一张图，并将其称作能谱。根据对宇宙线加速机制的理论计算，可以得到一条由常规宇宙射线源产生的背景曲线。这条曲线较为平滑，在较低能部分电子数量较多，随着能量的升高，电子数量快速减少。而悟空号希望探测到的，则是叠加在这条曲线之上的“额外”宇宙射线粒子，这些粒子正是来自暗物质湮灭。

其实，之前已经有空间探测器找到了疑似暗物质的蛛丝马迹。比如AMS-02和Fermi-LAT都发现，宇宙中特定能量段的电子会有所增多。表现在能谱上，则是宇宙线能谱曲线不再单调下降，而是叠加了一个“鼓包”。不过遗憾的是，它们只测量到了这个小“鼓包”的上升部分，也就是怎么鼓起来的部分，没有测量到这个“鼓包”是怎样下降的。

相对于AMS-02、Fermi-LAT等探测器，悟空号对电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高。此外悟空号区分粒子种类，尤其是把电子事例从大量的质子事例中区分出来的能力非常强，让悟空号能探测到最为纯净和准确的高能电子能谱。

在寻找暗物质的征途中，悟空号果然不负众望。它不仅探测到与AMS-02和Fermi-LAT类似的能谱上升过程，还清楚地看到电子宇宙射线能谱在1TeV（1万亿电子伏特）处开始下降，也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整个过程。这对于理解这些特殊电子的起源非常重要。因为科学家已经构建了多种模型来描述暗物质的行为。这些模型预言了科学家观测到的宇宙线能谱“鼓包”：相似的能谱上升过程、各异的能谱下降过程。换句话说，只有精确探测到“鼓包”的下降过程，才能确定哪个模型更加接近暗物质粒子的本质。科学家接下来要做的，便是根据“鼓包”的下降过程，分析其物理本质到底是什么。

此外，悟空号的观测还发现，能量为1.4 TeV的宇宙线粒子会突然增多。这暗示着在该能量附近可能存在新物理。比如宇宙中可能存在着质量为1.4TeV左右的暗物质粒子或者某种奇特的天体可以加速出单一能量的高能电子。（KP04）