这几天所有媒体都被一条新闻刷屏：我国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空号”，阔别两年，终于取回“真经”！
抛开如同“无字真经”的天文术语，所有报道都把“悟空号”此次发现的最佳惊喜奖颁发给了下面这条新闻：
“悟空号的电子宇宙射线能量测量范围，比起国外的空间探测设备有显著提高，拓展了人类观察宇宙的窗口。”
此外，悟空号测量到的TeV电子的“纯净”程度最高——也就是其中混入的质子数量最少，能谱的准确性高。
来看对比（有图有真相）——
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悟空号工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。（图片来源于中国科学院）
一时间，“悟空号”激起了全中国人民对于“暗物质”，甚至天文学的无限好奇。
什么是暗物质？暗物质是做什么用的？暗物质怎么来的？等等等等……
别着急，与“暗物质”关联最紧密的5件事情已经为你梳理好了。
1. 暗物质粒子
量子真空中有构成暗物质的大质量粒子。通过位于日内瓦的大型强子对撞机（LHC），我们可实现质子对撞，还原早期宇宙的能量密度，重新制造出暗物质粒子。
从量子力学的角度来看，暴胀结束前，量子真空里只有虚粒子不断产生和湮灭。暴胀为宇宙带来非常大的能量，量子真空中的虚粒子和它们的反粒子随之出现，并立刻卷入剧烈的湮灭和物质化过程。
这些真空中的粒子，当然有些是标准模型所描述的构成恒星和人等物质的基本粒子，但也有些是构成“暗”物质的粒子（或许说“不可见”更准确）。暗物质在宇宙中最多，负责维系大尺度结构，所以它应该由大质量粒子构成，对电磁相互作用毫无反应（否则它或许就不是不可见的了），也不受制于强相互作用（否则原子核会超重）。
标准模型中的粒子没有一个能满足这些条件，因此产生了一些理论猜测。超对称理论是最有可能的理论，它认为标准模型中的每个粒子都有一个体积更大的伙伴。其中，中性微子是中性的，质量大且稳定，是最有可能组成暗物质的粒子。粒子物理学家利用世界上最先进的对撞机—LHC进行研究，并于2012 年宣布发现标准模型的基石—希格斯玻色子。将LHC改善之后，他们会探测到暗物质粒子吗？让我们拭目以待……
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选自《宇宙之美》。照片摄于2005 年，是从超环面仪器（ATLAS）探测器的角度看到的LHC，与前方物理学家的对比可以让我们清楚它的大小。LHC 于2015 年开启第二阶段运行，希望通过（目前尚未达到的）高能量加对撞质子，在ATLAS 中创造出与暴胀后的早期宇宙相当的能量密度。
2. 暴胀
美国宇宙学家阿兰·古斯（Alan Guth）于1980年提出，早期宇宙可能经历过一个非常快速的膨胀时期，发生极度扩张，因此可观测宇宙具有显著的均匀、各向同性和平坦的特征。
从20 世纪60 年代起，宇宙学家确定了可观测宇宙有三个特性：均匀（在大尺度上，各处的物质密度相同）、各向同性（所有方向上看起来都相同）、平坦（三角形的三角之和为180°，宇宙若是像球面一样弯曲则不会如此）。为使这三个特性符合大爆炸理论框架，须假设在普朗克期刚结束之后，宇宙在各个方向上瞬间膨胀（至少增加了1026 倍，可能更高）。由于暴胀，早期极小的（所以是均匀的）宇宙极度扩张，远远大过可观测到的宇宙，所以可观测到的宇宙也就成了均匀的了。这种暴胀还将空间无限展平，抹平了所有不规则性。在此极小区域，微小量子涨落在暴胀之后被放大到宇宙尺度，而这导致了日后宇宙大尺度结构的形成。
若要发生暴胀，则早期宇宙需要类似暗能量的力量，能使其加速膨胀。发现于20 世纪的宇宙加速膨胀，可能也是由这种力量推动的。早期宇宙的能量密度非常大，使其加速膨胀的力量会随即分崩离析，变成粒子，这也标志着暴胀的结束和物质的诞生。
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选自《宇宙之美》。暴胀使宇宙变平，正如把一个起初很皱的气球吹到地球那么大，就会发现它的曲率接近于零，而站在地球表面看，地球就像是平的。
3. 重子物质
宇宙冷却到一定程度后，夸克、反夸克和胶子结合形成质子、中子以及质子、中子的反粒子。（正）粒子的微量剩余促使这些构成物质的基本粒子形成我们所熟悉的环境。
宇宙大爆炸后一百万分之一秒，宇宙温度下降，重子不再维持“夸克- 胶子等离子体”形态。如前所述，强力使夸克结合形成复合粒子—介子和重子，其中重子由三个夸克形成。最为人熟知的重子是质子和中子，它们构成了宇宙中感官可察知的一切（不同于暗物质）。由于上述过程中也形成了反重子，因而随后出现一个剧烈的湮灭阶段。一个粒子（如质子）与其反粒子（反质子）相遇会成对湮灭，并产生两个高能光子。而当光子能量足够高时，则会出现逆向反应，如高能光子可生成一对质子和反质子，弥补湮灭损失。由于宇宙膨胀降低了光子的平均能量，而湮灭仍以惊人的速度继续，因此粒子与反粒子对的形成少于湮灭。如果物理定律中的不对称性（目前尚未得到解释）没有打破原始汤的平衡，则重子最终将湮灭殆尽。而事实上，每十亿零一个夸克仅对应十亿个反夸克。湮灭阶段结束时，出现微弱的不平衡：反重子全部消失，仅有最初数量十亿分之一的重子保留下来。在随后不久的一个类似进程中，反物质消失。宇宙大爆炸后1 秒，光子能量下降，低于形成电子对的阈值，使正电子彻底消失，仅留下少许电子。
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选自《宇宙之美》。可观测宇宙的概貌如同18世纪画家让- 西美翁·夏尔丹（Jean-SiméonChardin）所作的静物画：绿头鸭和酸橙。此画收藏于巴黎狩猎和自然博物馆。
4. 大尺度结构
从宇宙微波背景辐射中可推断出原初密度扰动。通过数值模拟，我们可了解到原初密度扰动如何演化出宇宙中的大尺度结构。这种大尺度结构与科学观测结果几近吻合。
大部分宇宙学家认为，宇宙从复合时期到大尺度结构形成再到如今，这整个变化过程都是在一个宇宙空间中进行的。在这个空间中，速度比光速慢的大质量粒子组成的暗物质占大多数，此外还有少量的重子物质。
日益先进的数值模拟技术为这个被称为“冷暗物质”（因暗物质粒子移动速度慢而得名）的模型提供了有力证据。若想演绎一个物理系统的发展过程，就必须了解其初始状态和终了状态，正如我们所探究的宇宙，我们需要知道它的复合时期状态和如今的状态。探究初始状态，只需观测宇宙微波背景；而探究终了状态，大型巡天会为我们提供帮助。
借助室女座联盟（Virgo consortium）等组织用全球最强计算机进行的数值模拟，宇宙学家可以描绘出宇宙的快速发展过程：从复合时期的微小密度扰动，到130多亿年后，物质集中形成星团，星团又组成星系，散布于存在巨大空洞的“宇宙网”的节点上，变成现在的样子。这些模拟实验通过对冷暗物质最真实的还原，表明在1亿年间，最早形成的结构是质量为100 万倍太阳质量的天体，而后这些天体经过不断聚变形成星系，其典型质量为1000亿倍太阳质量。
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选自《宇宙之美》。2005 年，室女座联盟模拟出一个宇宙三维空间的终了状态，此三维空间每边长度为20 亿光年。室女座联盟的宇宙学家历时一个多月，用超级计算机重建了浩瀚宇宙中散布的2000 多万个星系的发展过程。
5. 暗能量
暴胀时期过后，宇宙膨胀速度放慢，而后在暗能量日渐增大的作用下，膨胀加速。科学家通过对特定类型的遥远超新星的研究，证明了神秘的暗能量的存在。
测量天体距离对于天文学家而言是长期挑战。天体的亮度与其距离的平方成反比，因而仅需知道某个天体的绝对亮度（即天体辐射的能量数值），就可以据此估算出这个天体的距离。这就是所谓的“标准烛光”法。而对于宇宙中的遥远天体，我们倾向于通过红移值来确定这个天体在给定宇宙模型内的距离。
科学家结合这两种方法可以构建更加合理的宇宙模型。此外，还应采用足够亮的标准烛光，以确保在最遥远处仍有一定的可见度。Ia 型超新星正是这一情况：相同质量的恒星因热核燃烧引起恒星爆发，这种爆发释放出非常耀眼的光亮。通过对若干最遥远Ia 型超新星的深入研究，两支国际天体物理学家团队均认为，Ia 型超新星比预测得更加遥远，这证明宇宙膨胀正在加速！索尔 · 珀尔马特（SaulPerlmutter）、布莱恩 · 施密特（Brian Schmidt）和亚当 · 里斯（Adam Riess）因这一重大发现获得2011 年诺贝尔物理学奖。
宇宙如果仅受到其内物质（暗物质与重子物质）的引力作用，则膨胀减缓不可避免。因此，根据这一发现，宇宙应是受到某种作用力（暗能量）的支配，扭转了其膨胀减慢的趋势。由于宇宙膨胀，物质的密度随时间而变小，而暗能量的密度却可保持不变。这也是在大爆炸90 亿年后，暗能量能成为宇宙的主要构成，且宇宙膨胀再次加速的原因。
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选自《宇宙之美》。哈勃空间望远镜于1994 年拍摄的NGC 4526 透镜星系，其外侧有一颗Ia 型超新星SN 1994D。
哲学家康德说过：“这个世界上唯有两样东西能让我们的心灵感到深深的震撼： 一是我们头上灿烂的星空，一是我们内心崇高的道德法则。”
天文学是世界上最美、最包容的学科，文学、艺术、工学、理学的逻辑与情怀被一一吸纳。人类面对浩渺的苍穹如同一粟，思想（亦或见识）碰撞过天文学后会更懂当下的平静与未来的深邃。
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这是一本高度简练的话语呈现每一次思想碰撞或重大发现，配以色彩绚丽、引人遐想的图片，包含天文台观测整个宇宙时捕捉到的新图像、试图揭开宇宙谜团的科学家的肖像、艺术家创作的宇宙幻想作品。
作者简介：
- 雅克•保罗（JacquesPaul）
法国原子能和替代能源委员会（CEA）、萨克莱核研究中心（CENS）科学顾问。
- 让-吕克•罗贝尔-艾斯尔（Jean-Luc Robert-Esil）
法国国家科学研究院（CNRS）、巴黎第七大学粒子天体物理与宇宙学实验室研究工程师。
全四色彩印200余大画幅高清图片，铜版纸印刷，原书1：1大小精装，值得珍藏。
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