1933 年F. Zwicky利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度。發現它們的速度彌散度太高，對應的質光比在100 以上。因此星系團中應該存在大量的不可見物質，這開啟了現代暗物質研究。之後陸續有支持暗物質存在的研究結果出現，1970 年V.C. Rubin和W.K. Ford對仙女座大星雲中星體旋轉速度開展了高精度的光譜測量，探測到了遠離星系核區域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關係。觀測結果表明在相當大的範圍內星系外圍的星體的速度是恆定的。這意味著或者牛頓引力定律是不正確的，或者星系中有大量的不可見物質並不分佈在星系核心區，並且其質量遠大於發光星體的質量總和。由此開始，星系及星系團中暗物質存在這一假說逐漸被天文學界廣泛接受。
目前的天文觀測表明現階段宇宙物質約85%的組成由暗物質貢獻，構成可見天體和星際氣體的常規重子物質只佔很小的一部分。支持暗物質存在的觀測證據來自星系旋轉曲線，星系團引力透鏡，X－射線，微波背景輻射，大尺度結構數值模擬等。雖然目前暗物質的存在已經在學術界形成共識，但暗物質究竟是什麼是一個巨大的謎團。目前瞭解到的暗物質特性僅包括在宇宙學尺度上穩定、有質量、不帶電荷、非重子和非相對論性運動等幾個方面。由於暗物質的非重子性，它不由夸克構成，不可能是由構成地球和星系的任何一種已知物質組成的。暗物質的存在是對當前非常成功的粒子物理標準模型提出了挑戰，表明粒子物理標準模型還不是完善的終極理論。理論研究表明暗物質極有可能與常規物質有微弱的非引力相互作用，這意味暗物質是有可能被實驗室儀器探測到的。暗物質與常規物質相互作用的探測機制研究，大致可分為空間探測、地面/地下探測、對撞機探測等方面。銀河系中的暗物質可以發生湮滅和微弱衰變，可由此產生宇宙線帶電粒子如正負電子、正反質子等。這些粒子可能會改變宇宙線帶電粒子的能譜形狀的空間分佈。因此探測宇宙線粒子是探測暗物質屬性的重要手段之一。
目前全世界已經有數個暗物質空間探測器，如PAMELA、AMS－02、Fermi-LAT、CALET等。中國也研製了自己的暗物質粒子探測衛星DAMPE（中文名“悟空”）。“悟空”是以中國科學院紫金山天文臺為主導研製的科學衛星探測器，由塑閃陣列、硅徑跡探測器、BGO量能器、中子探測器4部分組成。主要探測高能宇宙線粒子的組成和能譜，用以探索暗物質屬性、宇宙線起源和開展伽馬射線天文研究。DAMPE探測器的主要特點是接收面積達到0.36 m2，能量分辨率在800 GeV以上達到1.5%，電子質子鑑別本領達到105，該探測器於2015 年12 月發射升空，成功在軌運行並採集了大量的高能宇宙線數據。
2017 年11 月30 日，《Nature》雜誌發表了期待已久的DAMPE暗物質探測衛星的首個科學結果。引起了廣泛的關注。DAMPE首次發佈的宇宙線電子數據中一個重要的結果是觀測到了比較明顯的電子譜TeV“拐折”，即觀測到的電子數目在TeV能量以上快速減少。這對當前美國的Fermi－LAT和日本CALET的結果構成了挑戰，這兩家實驗均宣稱未看見拐折現象。然而DAMPE 的結果與2009 年地面大氣切倫科夫望遠鏡HESS實驗的結果吻合。高能的宇宙線電子也可以通過地面探測器間接探測（現有探測器包括HESS、MAGIC、VERITAS等），但地面探測的觀測精度比空間直接探測要低得多。地面探測更適合在更高的能段如10 TeV 以上開展測量。目前HESS 已經測到20 TeV 範圍。因此DAMPE通過空間直接探測宇宙線電子對“拐折”是否存在的爭論提供了新的依據，是一個重要的進展。
另一方面，DAMPE數據也顯示在1.4 TeV附近有疑似的新超出平滑背景預期的尖銳信號。在1.3~1.5 TeV的狹窄能量區間內觀測到了93 個正負電子，比預期的要高一些。受數據統計量的限制，該疑似信號的局部統計置信度為3.7σ，因此目前還無法下定論。但如果被進一步的數據證實，將會是一個意義十分重大的發現。通常的天體是不會產生如此尖銳的信號的，因此該信號來自暗物質的可能性更高一些。暗物質分佈在小範圍並不均勻，可能在自身引力作用下或強引力體，例如黑洞的引力吸引下聚集，其自身湮滅到正負電子能夠自然產生尖銳的能譜信號。研究表明若疑似信號在TeV附近，這種暗物質源的距離應該離地球相當近，僅1000 光年左右。並且存在可以被檢驗的額外觀測信號。例如黑洞附近的暗物質聚集會產生類似點源的高能伽馬光子信號，這些高能伽馬光子具備獨特的能譜特徵，很容易和其他天體源區分開來。而且是有可能被實驗觀測到的。事實上Fermi-LAT衛星的確觀測到了一些可能的點光源。另一種可能是來自暗物質的子暈結構。這類結構在空間上有一定的彌散度。因此會主要貢獻到彌散高能伽馬光子。當然，鄰近的高能天體如脈衝星，超新星遺蹟等的加速機制可能沒有以前想象的那麼簡單。在特殊情況下，通過逆康普頓散射損失能量導致出現尖銳的能譜的可能性也不能排除，但這一般要求天體物理源的初始注入譜非常硬，比通常的一階費米激波加速機制產生的能譜要硬很多。
DAMPE的結果正在引起國內外暗物質研究的越來越多的關注，大量的理論研究已經出現。目前DAMPE探測器還在不斷收集新的數據，隨著統計量的增大，相信高能宇宙線電子是否存在結構這一問題會很快得到確定的回答。（責任編輯 傅雪）
參考文獻（略）
作者簡介：周宇峰，中國科學院理論物理研究所，研究員，研究方向為超出標準模型的新物理、新物理模型中的重子-反重子不對稱起源、暗物質理論、CP對稱性破缺的模型和唯象。
注：本文發表於《科技導報》2018 年第12 期，敬請關注。
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