紫金山天文臺：空間高能電子觀(guān)測取得重大突破 不明來(lái)歷高能電子可能是暗物質(zhì)粒子湮滅證據
2008年11月20日，《Nature》上發(fā)表紫金山天文臺與國外同行合作的宇宙高能電子空間觀(guān)測新發(fā)現《宇宙電子在3000-8000億電子伏特能量區間發(fā)現“超”》（An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV）。該工作是紫金山天文臺空間天文實(shí)驗室與國外同行十年艱苦工作的總結。
暗物質(zhì)的存在已經(jīng)有很強的證據，但暗物質(zhì)究竟是什么，直到目前還不清楚，暗物質(zhì)探測成為目前科學(xué)界最大熱點(diǎn)之一。紫金山天文臺與美國、德國、俄羅斯有關(guān)單位自1998年開(kāi)始合作，研制和不斷改進(jìn)探測器，利用美國南極長(cháng)周期氣球項目（ATIC，先進(jìn)薄電離量能器）觀(guān)測高能電子。研究發(fā)現：電子能譜在3000-8000億電子伏特能量區間，與理論結果比較有一個(gè)很強的“超”，分析表明該“超”可能是暗物質(zhì)粒子湮滅的產(chǎn)物，觀(guān)測結果與暗物質(zhì)理論預言的Kaluza-Klein 粒子模型（粒子質(zhì)量6200億電子伏特）吻合得很好。該結果如果正確，不光是解決暗物質(zhì)是什么這個(gè)難題，同時(shí)暗示宇宙存在額外維，可能導致物理學(xué)方面的重大突破。
該項研究共有20位合作者，涉及中國、美國、德國、俄羅斯等國家7個(gè)研究單位，紫金山天文臺為第一單位，負責科學(xué)思想的提出、高能電子探測技術(shù)、觀(guān)測數據分析、理論研究和文章的成文（論文中Author Contribution所述)。
該項研究成果引起科學(xué)界廣泛關(guān)注。據悉，《Nature》為了宣傳該論文的科學(xué)意義，對第一作者——紫金山天文臺研究員常進(jìn)進(jìn)行了專(zhuān)訪(fǎng)，并配以照片，刊登在同期刊物上。《Nature》還在同期“News & View”欄目進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)報道。《Science》將以“Dark Matter Story” 為題重點(diǎn)介紹該成果。此外，英國的《新科學(xué)家》（New Scientist）,美國《紐約時(shí)報》（New York Times）、美國航空航天局科學(xué)中心《science@nasa》等國外主流媒體都將在11月20日或稍后對該成果進(jìn)行報道。評論普遍認為，該觀(guān)測如果被證實(shí)，將是人類(lèi)第一次發(fā)現暗物質(zhì)粒子湮滅的證據。同時(shí)在天文觀(guān)測中，開(kāi)啟了一個(gè)新的“窗口”，意義十分重大。
瑞典斯德哥爾摩大學(xué)，暗物質(zhì)理論專(zhuān)家Lars Bergstrom教授，對《Science》記者說(shuō)：ATIC數據與Pamela數據吻合很好，一方面ATIC測量了電子和正電子流量總和，另一方面測量了更高能量范圍的上升，并看到了流量下降，所以從ATIC測量結果看，目前的探測結果更像暗物質(zhì)粒子湮滅。
當然目前電子的觀(guān)測精度還不高，該“超”也不能完全排除來(lái)自于近地附近的特殊天體（盡管目前已知天體的X-Ray 和伽瑪射線(xiàn)觀(guān)測，排除了這種可能）。即使這樣，這一結果也很有意義，這是人類(lèi)第一次直接探測到來(lái)自于“天體”的高能粒子。英國愛(ài)丁堡大學(xué)Taylor教授對《New Scientist》記者說(shuō)：“即使最后證明該超不是暗物質(zhì)產(chǎn)生的，ATIC觀(guān)測對解決宇宙線(xiàn)起源這一未解之謎意義重大。”
工作背景：
國際上高分辨觀(guān)測宇宙高能電子能譜一直是空白，因為在空間觀(guān)測高能電子是一件十分困難的事情，主要問(wèn)題是如何將高能電子從大量的宇宙線(xiàn)本底中找出來(lái)（宇宙線(xiàn)本底流量比高能電子流量高100到1000倍以上），常用的空間磁譜儀方法（類(lèi)似于A(yíng)MS），技術(shù)復雜，價(jià)格昂貴。紫金山天文臺空間天文試驗室一直工作在國際前沿，希望找到一種簡(jiǎn)單便宜的方法，在空間觀(guān)測高能電子。
美國南極長(cháng)周期氣球項目“ATIC”原來(lái)的科學(xué)目標是在空間觀(guān)測高能宇宙線(xiàn)，電子和伽瑪射線(xiàn)不在其列。1998年，紫金山天文臺常進(jìn)研究員與 “ATIC”接觸，提出用探測器觀(guān)測高能電子的建議。紫臺通過(guò)大量的計算，證明適當地修改設計，“ATIC”可以同時(shí)觀(guān)測高能電子和伽瑪射線(xiàn)，結果被“ATIC”項目組初步接受。1999年，課題組專(zhuān)門(mén)將探測器運到歐洲核子中心進(jìn)行實(shí)驗，測試結果表明我們的探測方法完全可行。2001年，探測器在南極進(jìn)行了第一次試觀(guān)測，觀(guān)測結果表明“ATIC”可以同時(shí)觀(guān)測高能電子和伽瑪射線(xiàn)。2002年，探測器在南極進(jìn)行了正式觀(guān)測，獲得完全成功。2007年，ATIC進(jìn)行了第四次觀(guān)測（2005年，第三次觀(guān)測因為氣球的原因沒(méi)有成功），紫金山天文臺專(zhuān)門(mén)派人去南極美國基地負責電子觀(guān)測。探測器專(zhuān)門(mén)為了觀(guān)測電子進(jìn)行了修改，能量分辨提高了2倍，本底降低了5倍。初步分析表明，觀(guān)測結果與前幾次觀(guān)測吻合得很好。
名詞解釋?zhuān)喊滴镔|(zhì)
1937年，天文學(xué)家弗里茲?扎維奇（Fritz Zwicky）發(fā)現，大型星系團中的星系具有極高的運動(dòng)速度，除非星系團的質(zhì)量是根據其中恒星數量計算所得到的值的100倍以上，否則星系團根本無(wú)法束縛住這些星系。之后幾十年的觀(guān)測分析證實(shí)了這一點(diǎn)。最新天文觀(guān)測表明：宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙的２5％，暗能量占７0％，而我們通常理解的物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整個(gè)宇宙。盡管天文大尺度觀(guān)測結果間接驗證了暗物質(zhì)的存在，但物理上直接的觀(guān)測證據到現在還沒(méi)有找到。
名詞解釋?zhuān)侯~外維
“維”是表示空間或圖形的廣延性而使用的一個(gè)概念。愛(ài)因斯坦提出宇宙是空間（三維）和時(shí)間（一維）合起來(lái)組成的“四維時(shí)空”。1926年，德國數學(xué)物理學(xué)家西奧多?卡魯扎在四維時(shí)空（即三維空間加上時(shí)間）上再添加一個(gè)空間維，也就是添加一個(gè)第五維，把愛(ài)因斯坦的相對論方程加以改寫(xiě)，改寫(xiě)后的方程式可以把當時(shí)已知的兩種基本力即“電磁力”和“引力”很自然地統一在同一個(gè)方程中。后來(lái)，凡是這樣添加的維都叫做“額外維”。即空間是３＋N維的。這些N個(gè)額外維被局限在極小的空間尺度內。
