從太陽系的邊緣看地球，地球就像一顆太陽里的浮塵。銀河系里大概包含了一千億個這樣的太陽，當(dāng)我們從銀河系里看太陽的時候，它根本連浮塵都算不上，是一個點。

因為有暗物質(zhì)存在，所以太陽沒有飛出銀河系

　　銀河系是一個棒旋星系，包括一根棒，兩個大的旋臂，兩個大的旋臂又分了好多小的旋臂。我們的太陽與銀河系中心的距離大概是2.5萬光年。

　　在北京興隆山上,有個LAMOST望遠(yuǎn)鏡，它是我國目前最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，通過測量大量的恒星光譜，得出太陽以每秒240公里的速度圍繞銀河系中間轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)一圈需要2.3億年，所以你這輩子都不可能繞銀河系轉(zhuǎn)一圈了。

　　61種基本粒子最難測出來的是希格斯玻色子—— “上帝粒子”。為什么它這么難探測？因為不知道它的質(zhì) 量多大。而尋找希格斯玻色子是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的最初目標(biāo)之一。圖為歐洲核子研究中心（CERN）的LHC(Large Hadron Collider)，其是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。

　　地球裝滿暗物質(zhì)只有幾公斤

　　我們知道，人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)，離地球越近的時候速度越快，離地球越遠(yuǎn)的時候速度要慢下來。如果衛(wèi)星在離地球很遠(yuǎn)的地方仍然保持高速，它肯定會跑出地球，飛進(jìn)太陽系。

　　但是有一個很有趣的現(xiàn)象，銀河系里的發(fā)光物質(zhì)或者氣體的分布，大概是10萬光年這樣的尺度，根據(jù)太陽和銀河系中間發(fā)光物質(zhì)的分布，科學(xué)家可以準(zhǔn)確地把太陽繞銀河系的速度計算出來，大概是每秒160公里。

　　但剛才我們提到，LAMOST觀測到的太陽實際繞行速度不是每秒160公里而是240公里，為什么太陽的速度這么快，卻沒有飛出銀河系呢?是因為太陽和銀河系中間存在著大量我們還沒看見、看不見的物質(zhì)，可能是暗物質(zhì)。

　　我們測量銀河系外圍的星云也就是氣體繞銀河系轉(zhuǎn)的速度，發(fā)現(xiàn)它的速度也在200公里左右。根據(jù)這些尺度、速度、距離，我們大概推斷出銀河系里的物質(zhì)分布大概是發(fā)光物質(zhì)分布的10倍，還有90%的東西是不發(fā)光的。

　　很多天文觀測結(jié)果表明暗物質(zhì)在宇宙中是肯定存在的，但是暗物質(zhì)的物理性質(zhì)是什么呢?

　　人類到目前為止已經(jīng)弄清楚，物質(zhì)是由61種基本粒子組成的。前幾年“上帝粒子”被發(fā)現(xiàn)了，但是這61種基本粒子和暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)都不吻合，那么暗物質(zhì)粒子必須具備什么性質(zhì)呢?

　　長壽命、質(zhì)量大，不參與強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，只有引力相互作用，可能有弱相互作用，現(xiàn)在還未被證實。這就是暗物質(zhì)粒子探測這么熱門的原因，也就是說，如果我們在暗物質(zhì)方面取得一些突破，肯定在標(biāo)準(zhǔn)的物理學(xué)上也會取得突破。

　　暗物質(zhì)在宏觀分布上占宇宙的主要部分，但在微觀密度上并不強(qiáng)，在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3個質(zhì)子。這個數(shù)字比較抽象，比如地球這么大的體積裝滿了暗物質(zhì)，大概只有幾公斤，所以在地球附近找到暗物質(zhì)是一件很難的事情。

　　“火眼金睛”的“悟空”

　　暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，實際上是一個望遠(yuǎn)鏡。它工作在高能量波段，大概比光學(xué)的波段要高1012，所以這么高能量的高能光子和探測器作用以后，它不會產(chǎn)生反射、折射等普通的波的光學(xué)性質(zhì)。高能光子和探測器發(fā)生作用后產(chǎn)生正負(fù)電子對，我們這個望遠(yuǎn)鏡通過探測正負(fù)電子對的方向、能量，來判斷天上高能光子的方向和能量。

　　2015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，“悟空”衛(wèi)星成功發(fā)射。

　　整個探測器從上到下大概有四層，最頂部是塑料閃爍體探測器，區(qū)分粒子的電荷，它是蘭州的中國科學(xué)院近代物理所做的，中間是硅陣列探測器，這是高能物理所和一些國際合作團(tuán)隊做的。

　　底下是最主要的探測器——1噸多重的BGO(鍺酸鉍晶體)量能器。

　　這個探測器到目前為止各項性能工作正常，整個探測器重量是1.4噸多重，功耗600瓦，它工作在什么樣的軌道上呢?500公里的太陽同步軌道，太陽從早到晚任何一個方向都能照到這個衛(wèi)星上，保證這個衛(wèi)星的溫度比較穩(wěn)定。探測器由7萬多個子探測器組成， 整個探測器是一個大的望遠(yuǎn)鏡，這個大望遠(yuǎn)鏡由有7萬多路小的傳感器組成，所以每一個高能粒子打上去，有7萬多個信號出來。根據(jù)7萬多個信號，我們可以判斷入射粒子的能量、方向、電荷。

　　我們的衛(wèi)星發(fā)射上天，經(jīng)過標(biāo)定以后，在能量、方向、電荷，包括粒子鑒別方面，都達(dá)到世界最高水平。目前為止，我們大概每天探測500萬個高能粒子，目前已經(jīng)收集到30億個高能粒子。圍繞整個天區(qū)，整個宇宙我們掃描了三次。

　　“捕捉”暗物質(zhì)粒子：對撞！“上天”和“入地”

　　國際上已經(jīng)在暗物質(zhì)探測方面耗資數(shù)百億美元。探測方式包括在加速器上探測暗物質(zhì)粒子，在地下直接探測暗物質(zhì)粒子，和在天上間接探測暗物質(zhì)粒子。

　　第一種是在加速器上探測。加速器上通過高溫粒子碰撞模擬宇宙大爆炸，將暗物質(zhì)粒子碰撞出來探測到它。目前最大的加速器，也就是發(fā)現(xiàn)上帝粒子的LEP強(qiáng)子對撞機(jī)，對撞能量目前已經(jīng)到了13個TeV(1000GeV)，實際是14個TeV?？上奈迥晗聛砹?，暗物質(zhì)粒子探測方面沒有取得什么成果。

　?。ㄗⅲ弘娮臃豦lectron volt，簡稱為電子伏，縮寫為eV ，是能量的單位。代表一個電子（所帶電量為 -1.6×10-19C庫侖）經(jīng)過1伏特的電場加速后所獲得的動能

　　MeV兆電子伏特，Maga or million Electron Volts

　　KeV千電子伏特，Kevmagic Electron Volts

　　GeV吉電子伏特，Giga Electron Volts

　　TeV十億電子伏特，Tera （Billion） Electron Volts）

　　第二種方法是地下直接探測法。讓暗物質(zhì)粒子與普通原子核碰撞，像打臺球一樣的，一個球撞另外一個球。暗物質(zhì)本身不可見，但是暗物質(zhì)碰撞另外一個球(原子核)以后，原子核會動，通過探測反沖原子核來探測暗物質(zhì)粒子。

　　為什么放到地底下?因為球動的能量量級大概在KeV到MeV量級，而地面上這樣的本底(環(huán)境中本身存在的)最多，尤其是宇宙射線，天上來的高能粒子轟擊大氣，產(chǎn)生的大量次級粒子也在這個能段里面。

　　所以為了屏蔽這一部分本底，必須把探測器放到地底下，放得越深本底會越低。我們國家將在錦屏山建立世界上最深的地下實驗室，用來探測暗物質(zhì)粒子，上海交大和清華大學(xué)都有實驗在那兒做。

　　第三種方法是空間探測暗物質(zhì)粒子。因為暗物質(zhì)粒子來自宇宙大爆炸，在宇宙大爆炸剛開始的時候，暗物質(zhì)粒子和暗物質(zhì)粒子碰撞產(chǎn)生看得見的粒子，但是普通物質(zhì)粒子相互碰撞會全部產(chǎn)生暗物質(zhì)嗎?

　　到目前為止，研究表明是不可能的，否則我們就不可能存在，因為物質(zhì)都變成暗物質(zhì)了。暗物質(zhì)和暗物質(zhì)碰撞肯定會產(chǎn)生看得見的粒子。所以從邏輯上講，我們通過探測暗物質(zhì)粒子碰撞所產(chǎn)生的看得見的粒子可以去探測看不見的暗物質(zhì)粒子。

　　到目前為止，加速器上沒有看到暗物質(zhì)粒子的信號，地下實驗也沒有看到暗物質(zhì)粒子的信號，天上也沒有看到，但是看到了一些跡象。比如丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀(AMS)團(tuán)隊，通過在天上差不多5年多的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)宇宙中高能正電子流量比理論模型要高。

　　理論模型預(yù)計，正電子流量隨著能量的增加，應(yīng)該往下降。但是在天上發(fā)現(xiàn)，隨著能量的增加，流量并沒有掉下來，反而增加了。這些增加的正電子，是來自于暗物質(zhì)粒子，還是來自特殊的天體物理過程，我們并不是很清楚。

　　目前還沒有辦法下結(jié)論，主要原因是探測器不夠大、靈敏度不夠，觀測的能量區(qū)間比較低。所以，我們需要一個新的探測器，通過探測天上的高能粒子能量、方向、電荷，鑒別出它的種類，來探測暗物質(zhì)粒子。這就是我們暗物質(zhì)衛(wèi)星提出的主要的背景。