北京时间2015年12月17日，中国第一颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）顺利升空。
北京时间2017年11月30日凌晨2点，《自然》杂志在线发表了“悟空”的首篇科学论文。
在两周岁生日之前，科学家们为“悟空”送上了一份大大的生日礼物。
发射前夕，通过征名活动，暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”
媒体纷纷以“中国科学家揭开暗物质之谜”“‘悟空’找到了暗物质！”这样的标题进行了报道。
等等，似乎哪儿有点不对。
知识的贫穷限制了我的想象力
说好的暗物质粒子探测卫星呢？第一次发布的重大成果怎么是“获得了高能电子宇宙线能谱”呢？
要回答这个问题，就要说到高能电子宇宙线能谱和暗物质探测的关系。
一、高能电子宇宙线能谱和暗物质有何关系？
首先，暗物质是什么？暗物质真的存在吗？
暗物质（DarkMatter）的提出，和关于它是否真的存在的讨论，是一个很长的故事，不少文章都介绍过。因为今天的主角是“悟空”号，我们不得不忍痛将这段精彩的历史放入本文的“延伸阅读”。
总之，对于物理学家们来说，暗物质最好是存在的，否则这个世界将更让人难以理解。
为了回答暗物质是否存在这个问题，有一拨人选择了一条不太好走的路——在实验室里寻找暗物质。如果能够在实验室里找到暗物质，不但可以回答暗物质是否存在，还可以回答暗物质到底是什么。
但是，要怎么寻找呢？
显然也不能像无头苍蝇一样到处乱撞，那样成功的概率最低。我们仍然要从天文观测中去寻找线索。
1.为暗物质“画像”
刑侦人员破案的时候，往往会根据现有线索为罪犯进行“画像”。同样的，根据天文观测结果，人们获得了两个关于暗物质的重要线索，为暗物质进行了“画像”。
其一跟宇宙的大尺度结构相关。
宇宙中星系形成的大尺度结构长这样
大尺度结构的演化模式跟暗物质的速度这一属性相关，如果暗物质运动很快（快到接近光速），那么它们形成的结构应该是早期大、今天小（碎裂模式）；反之则是早期小、今天大（增长）。
观测结果告诉我们，宇宙结构是由小到大增长的，说明暗物质的速度应该比较小，称作“冷”暗物质。这一般意味着暗物质会比较重，才不容易获得大的速度。
其二跟暗物质的丰度有关。丰度就是暗物质在宇宙中的占比。
我们知道宇宙始于大爆炸，从高温高密的状态逐渐膨胀冷却至今天的状态。
大爆炸后的宇宙
在早期宇宙的高温高密条件下，发生着丰富的物理过程，其中之一就是粒子和反粒子的湮灭以及产生。这样的过程频繁地发生着，直到宇宙膨胀冷却至某个特定时刻，粒子和反粒子由于碰撞率变低而碰不到一块儿，这个过程停止，剩下的粒子和反粒子也将遗留下来。
湮灭和产生过程何时停止呢？这个时刻取决于湮灭概率（术语叫截面），即粒子之间的相互作用强度。而这个停止时刻又将决定剩下的粒子多少。
假设暗物质粒子及其反粒子在早期宇宙中经历了类似这样的过程，那么根据今天剩余的暗物质丰度，我们可以反推得到暗物质的湮灭概率，恰好在弱相互作用的水平。
子弹星系团
子弹星系团是宇宙中一大一小两个星系团相撞后留下的混合体。上面的图像是综合利用了哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和大麦哲伦望远镜所收集的数据合成的。其中，红色部分代表了由两个星系团相撞而产生的高温气体所辐射的X射线，蓝色则代表了分布在两侧的暗物质。
这也可以解释为什么我们不能直接看到暗物质：因为它们的相互作用本来就很弱！
根据这些结果，我们便可以勾勒出暗物质极有可能的模样：一种具有弱相互作用的大质量粒子。
电脑合成的数百万光年以外的太空中暗物质图
2.到宇宙中寻找暗物质的踪迹
同样，跟刑侦人员破案一样，有了重点怀疑对象之后，我们便可以制定“抓捕”对策。
科学家琢磨出了三套“抓捕”暗物质的方案，简称为“上天入地对撞”。
“入地”指的是在地下设置探测靶子等待暗物质自投罗网。这个方案探测的是暗物质粒子和普通物质粒子之间的碰撞过程。因为空气中有许多宇宙射线粒子，会干扰探测，所以一般要“入地”以屏蔽掉宇宙射线本底。
PandaX实验组的研究人员准备进入中国锦屏地下实验室
“对撞”指的是在大型粒子对撞机上产生出暗物质粒子。因为大型加速器和对撞机的建造费时、费力又费钱，这个方案代价很高昂。
造价不菲的欧洲大型强子对撞机
“上天”指的是发射空间高能粒子探测器，探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子，例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层，所以需要“上天”。
这里我们重点说一下“悟空”号所执行的“上天”。
这种方法的基本思路很简单，虽然我们“看不到”暗物质粒子，但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后，会产生我们能够“看到”的粒子，例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测“看的到”的，来探测“看不到”的。
而且，暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子，反映在能谱上，会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程，电子能谱是平滑变化的，而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断，或者甚至有可能产生单一能量的电子，这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。
如果我们的卫星探测精度足够高，是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。
目前，国际上的暗物质探测实验以“上天入地”为主。我国开展的暗物质探测实验包括暗物质粒子探测卫星“悟空”，锦屏深地实验“熊猫”（PandaX）和CDEX，并且参与了一些国际合作项目例如“阿尔法磁谱仪”等。
在暗物质探测方面，我国虽然起步较晚，但发展迅速，已经站在了国际前沿，取得了很好的成果。其中“熊猫”实验在2016和2017年两度报道了其以世界最高灵敏度对暗物质搜寻的结果，虽然没有发现暗物质事件，但给出了对暗物质属性最为严格的约束。
二、我们找到暗物质了吗？
目前还不能这么说。但“悟空”正在用它的火眼金睛，洞察宇宙的奥秘。
“悟空”号至今已稳定在轨运行接近2年，获取了35亿高能宇宙射线事例。
由于其独创性的设计，“悟空”号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍，但是却在电子/伽马的能量测量精度和质子-电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平，从而也成为国际上探测暗物质的利器。
1.“悟空”号发布了什么成果？
“悟空”号卫星今日发布的第一个重大科学成果，就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果（图9）。
“悟空”号对宇宙射线电子能谱的测量结果（红点），以及与之前别的实验观测结果的对比
这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征：
1）电子能谱在大约1TeV（TeV为万亿电子伏特，相当于可见光能量的一万亿倍）能量处呈现出一个拐折；
2）在能量约1.4TeV处发现一个尖峰状精细结构。
2.“悟空”号的成果有何意义？
得益于“悟空”号的高能量分辨率和低本底混入率，它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。
1）第一个能谱拐折，在之前的实验HESS中，曾观测到类似迹象，但由于误差很大，不能明确下结论。而空间实验Fermi-LAT的结果却表面没有拐折。“悟空”号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。
这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。
因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量，越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子，传播的范围越小。
例如，对于1TeV能量的电子，基本上只能传播3000光年的距离，而10GeV的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小，在这个范围内，源的数目也很稀少，因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同，那是大量源的平均效应。
打个比方，就好像我们炖了一锅骨头豆子汤，如果把骨头切成和豆子一般大小，那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多，数量也不可能像豆子那么多，这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。
2）第二个特征则是“悟空”号率先观测到的，之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说，1.4TeV处的结构则是所有人都没有预期到的新现象！
这意味着可能在宇宙空间中存在质量约1.4TeV的新粒子，或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。
另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道，此前只有在实验室中通过精细调节实验装置，我们才能够获得单能粒子束。我们猜测，脉冲星可能可以扮演这个角色。
脉冲星
脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹，是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。
无论是哪种情况，这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现！
三、我们距离“找到暗物质”，还有多远？
“悟空”号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。
不过，由于高能量粒子数量稀少，现在还不能完全排除是统计波动的影响。“悟空”号的当务之急是继续收集数据，提高统计量，以确切地验证该新结构的真实性。可以预计，再经过一到两年的时间，“悟空”号的数据将对1.4TeV这个结构的真实性给出明确的结论。
这里需要补充一点，很多人关心“悟空”号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前，“悟空”的工作状态十分稳定，每天平均收集500万个粒子，预计还将服役3年，理想状况下，我们将还能收集到50亿个粒子，届时我们将对许多问题给出清晰的说明。
另一方面，“悟空”号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标，给出了参考指标。
例如，未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计；地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度；别的空间实验可以验证“悟空”号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源（暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号）。
我相信，暗物质在不远的将来就会露出它的“庐山真面目”。
