紫金山天文台：空间高能电子观测取得重大突破 不明来历高能电子可能是暗物质粒子湮灭证据

　　2008年11月20日，《Nature》上发表紫金山天文台与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》（An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV）。该工作是紫金山天文台空间天文实验室与国外同行十年艰苦工作的总结。

　　暗物质的存在已经有很强的证据，但暗物质究竟是什么，直到目前还不清楚，暗物质探测成为目前科学界最大热点之一。紫金山天文台与美国、德国、俄罗斯有关单位自1998年开始合作，研制和不断改进探测器，利用美国南极长周期气球项目（ATIC，先进薄电离量能器）观测高能电子。研究发现：电子能谱在3000-8000亿电子伏特能量区间，与理论结果比较有一个很强的“超”，分析表明该“超”可能是暗物质粒子湮灭的产物，观测结果与暗物质理论预言的Kaluza-Klein 粒子模型（粒子质量6200亿电子伏特）吻合得很好。该结果如果正确，不光是解决暗物质是什么这个难题，同时暗示宇宙存在额外维，可能导致物理学方面的重大突破。

　　该项研究共有20位合作者，涉及中国、美国、德国、俄罗斯等国家7个研究单位，紫金山天文台为第一单位，负责科学思想的提出、高能电子探测技术、观测数据分析、理论研究和文章的成文（论文中Author Contribution所述)。

　　该项研究成果引起科学界广泛关注。据悉，《Nature》为了宣传该论文的科学意义，对第一作者——紫金山天文台研究员常进进行了专访，并配以照片，刊登在同期刊物上。《Nature》还在同期“News & View”栏目进行了专门报道。《Science》将以“Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。此外，英国的《新科学家》（New Scientist）,美国《纽约时报》（New York Times）、美国航空航天局科学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20日或稍后对该成果进行报道。评论普遍认为，该观测如果被证实，将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中，开启了一个新的“窗口”，意义十分重大。

　　瑞典斯德哥尔摩大学，暗物质理论专家Lars Bergstrom教授，对《Science》记者说：ATIC数据与Pamela数据吻合很好，一方面ATIC测量了电子和正电子流量总和，另一方面测量了更高能量范围的上升，并看到了流量下降，所以从ATIC测量结果看，目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。

　　当然目前电子的观测精度还不高，该“超”也不能完全排除来自于近地附近的特殊天体（尽管目前已知天体的X-Ray 和伽玛射线观测，排除了这种可能）。即使这样，这一结果也很有意义，这是人类第一次直接探测到来自于“天体”的高能粒子。英国爱丁堡大学Taylor教授对《New Scientist》记者说：“即使最后证明该超不是暗物质产生的，ATIC观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。”

　　工作背景：

　　国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱一直是空白，因为在空间观测高能电子是一件十分困难的事情，主要问题是如何将高能电子从大量的宇宙线本底中找出来（宇宙线本底流量比高能电子流量高100到1000倍以上），常用的空间磁谱仪方法（类似于AMS），技术复杂，价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直工作在国际前沿，希望找到一种简单便宜的方法，在空间观测高能电子。

　　美国南极长周期气球项目“ATIC”原来的科学目标是在空间观测高能宇宙线，电子和伽玛射线不在其列。1998年，紫金山天文台常进研究员与 “ATIC”接触，提出用探测器观测高能电子的建议。紫台通过大量的计算，证明适当地修改设计，“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线，结果被“ATIC”项目组初步接受。1999年，课题组专门将探测器运到欧洲核子中心进行实验，测试结果表明我们的探测方法完全可行。2001年，探测器在南极进行了第一次试观测，观测结果表明“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线。2002年，探测器在南极进行了正式观测，获得完全成功。2007年，ATIC进行了第四次观测（2005年，第三次观测因为气球的原因没有成功），紫金山天文台专门派人去南极美国基地负责电子观测。探测器专门为了观测电子进行了修改，能量分辨提高了2倍，本底降低了5倍。初步分析表明，观测结果与前几次观测吻合得很好。

　　名词解释：暗物质

　　1937年，天文学家弗里兹?扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。最新天文观测表明：宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量，暗物质占宇宙的２5％，暗能量占７0％，而我们通常理解的物质只占宇宙质量的5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整个宇宙。尽管天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在，但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。

　　名词解释：额外维

　　“维”是表示空间或图形的广延性而使用的一个概念。爱因斯坦提出宇宙是空间（三维）和时间（一维）合起来组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多?卡鲁扎在四维时空（即三维空间加上时间）上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。后来，凡是这样添加的维都叫做“额外维”。即空间是３＋N维的。这些N个额外维被局限在极小的空间尺度内。