中國科學(xué)家在暗物質(zhì)研究上逐漸走到了舞臺中央

悟空號“取經(jīng)”記

悟空號衛(wèi)星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜(紅色數(shù)據(jù)點)，以及和美國費米衛(wèi)星測量結(jié)果(藍點)、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測量結(jié)果(綠點)的比較。

著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫曾經(jīng)說過：在科學(xué)探索中，聽到最激動人心的話，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……這挺奇怪！”恰是在最重要的新發(fā)現(xiàn)之前所出現(xiàn)的那一句。

眼下悟空號的“取經(jīng)”之旅，似乎就是這樣。

截至目前，包括科學(xué)家在內(nèi)的人類，尚未搞清楚悟空號帶回的首批成果究竟代表著什么，我們唯一知道的是：這些結(jié)果是“出乎意料之外的”，是“人類此前從未看到過的”。而在自然科研中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致看來，就意味著“它們有潛力改變我們看待宇宙的方式！”

兩年前，同樣是在一個冬天，作為我國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，悟空號成功飛天，踏上了 “取經(jīng)”之路。如今科學(xué)家發(fā)布的，正是它在太空遨游530天的結(jié)果，按照3年的設(shè)計壽命，悟空號的太空之旅已經(jīng)過半。留給悟空號的時間不多了，人類的腳步可能需要更快些。

悟空號衛(wèi)星示意圖。中科院供圖

530天：中國科學(xué)家逐漸走到舞臺中央

多年前，當天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)“恒星圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的速度太快”時，不得不設(shè)想——在銀河系中除了可見物質(zhì)，可能還有其他看不見的物質(zhì)，它們合在一起的引力拉著這些恒星，使其不至于由于速度過高而飛離銀河系。

人類為此所做的計算表明，這些“看不見的物質(zhì)”總量遠遠超過“看得見的物質(zhì)”。于是，前者就被暫時稱為暗物質(zhì)。

用空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮、中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季的話說，暗物質(zhì)之所以被稱為“暗”，是因為人類對它——這個比我們?nèi)庋勰軌蚩匆姷奈镔|(zhì)還要多4倍的神秘物質(zhì)知之甚少，目前還只能通過引力作用進行推算。

揭開暗物質(zhì)之謎，因此被認為是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后，基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的又一次重大飛躍——其重要性以及難度之大可見一斑。

目前，人類“捕捉”暗物質(zhì)主要有3種方法，可以形象地稱之為“上天、入地、對撞機”。這其中“上天”是間接探測方法，即“捕捉”暗物質(zhì)互相湮滅時產(chǎn)生的痕跡。

暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進說，盡管暗物質(zhì)不會發(fā)光、也不與光作用，普通光學(xué)觀測也無法發(fā)現(xiàn)，不過當一對暗物質(zhì)粒子偶然正碰的時候，會同時湮滅，可能會放出質(zhì)子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。

換言之，如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。

目前，“上天”的暗物質(zhì)獵手中有3個較為知名，一個是安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀2號，一個是美國宇航局的費米太空望遠鏡，一個就是中國的悟空號，而相比之下，悟空號是迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，超過國際上所有同類探測器。

如今，發(fā)布的數(shù)據(jù)結(jié)果也再次證實這一點：悟空號實現(xiàn)了國際上最精確和最高效的探測，與之相應(yīng)的是，悟空號為人類觀測宇宙打開了一扇新的窗戶，并為人類判斷暗物質(zhì)是否存在提供了“關(guān)鍵性數(shù)據(jù)”。

11月27日，這批成果在中國科學(xué)院發(fā)布時，成功吸引了10多家外國媒體登門采訪——這在該院學(xué)術(shù)成果發(fā)布歷史上還是頭一回，在整個中國學(xué)術(shù)界也十分罕見。

當天，在眾多媒體和閃光燈的包圍下，中國科學(xué)院院長白春禮院士也沒有掩飾自己在這種時刻該有的興奮、激動，他說：“今天是一個非常重要的日子，也許在人類科學(xué)發(fā)展的歷史上，大家會記住今天。”

“因為中國科學(xué)家已經(jīng)從自然科學(xué)前沿重大發(fā)現(xiàn)和理論的學(xué)習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。中國科學(xué)院、中國科學(xué)家長期以來在基礎(chǔ)科學(xué)前沿的投入和付出終于有了突破。”白春禮說。

當然，悟空號用其前半生所帶來的突破，可能還需要人類再“消化”一陣子——28億高能宇宙射線，150萬25GeV能量以上的電子宇宙射線，國際上精度最高的電子能譜，以及人類第一次直接“看到”電子宇宙射線能譜在1 TeV處的“拐折”，等等——國際天文學(xué)界、物理學(xué)界已經(jīng)“炸開了鍋”，夜以繼日地計算、分析。

12年：“更大的探測器”從無到有

從某種意義上說，這530天就像一場驚心動魄的“獵捕”行動，而在悟空號登入太空獵場之前，則是漫長的等待和驗證。

這一切，還要從常進多年前的一次氣球?qū)嶒炚f起。

那是一次中美聯(lián)合實驗，地點在南極。在當時的實驗中，常進所使用的探測器，已經(jīng)能夠測量非常高的能量，他發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：有一個能量段，大家都認為其計數(shù)率應(yīng)該“下降”，但測量的結(jié)果卻顯示為“超出”，也就是不降反增了。

一石激起千層浪，科學(xué)家反復(fù)討論：這個奇異現(xiàn)象的背后是否隱藏著暗物質(zhì)的存在？

遺憾的是，常進當時所獲得的數(shù)據(jù)太少，置信度不高，因此“無法完全確定”。

到了2005年，吳季來到常進的辦公室，那是兩人第一次相見。常進把這個故事講給吳季聽，并把那條“奇怪的曲線”翻出來給他看。

吳季至今記得，常進當時“非常激動”，“他說，如果能做一個更大的探測器，并把它放到衛(wèi)星上，他就一定能夠斷定，奇怪的東西是不是暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能粒子？”

這一幕發(fā)生在12年前。那之后，就迎來了人們所熟知的悟空號“出爐記”。

當然，整個過程并不容易。悟空號身上最核心和最重的部分是一個名為“BGO”的晶體量能器。在論證階段，吳季曾問過常進，為什么用BGO晶體——“太重了，很燒錢”，如果用其他的，整個衛(wèi)星可能會輕一點。

常進回答得很干脆，用，一定要用。

他告訴吳季，在中科院硅酸鹽所，有一個技術(shù)工人，可以造出世界上最長的BGO晶體，如此一來，就可以大大提高探測效率，“將年化為月，將月化為周，如此，就可能趕在外國人之前發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)”。

這一點，暗物質(zhì)衛(wèi)星工程總設(shè)計師艾長春頗有體會。

在接觸悟空號之前，艾長春主要從事應(yīng)用衛(wèi)星的研制，對比兩者，他發(fā)現(xiàn)，悟空號這樣的科學(xué)衛(wèi)星，從事的是空間科學(xué)研究，屬基礎(chǔ)科學(xué)研究范疇，其產(chǎn)出就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而科學(xué)發(fā)現(xiàn)“只有第一，沒有第二！”

在接受中國青年報·中青在線記者采訪時，他反復(fù)念叨一個詞：“機會”。“機會很重要，很關(guān)鍵，很難得！大家都在做同一件事，你把握不住機會，沒有在第一時間得到世界認可的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，那么你過去所有的努力基本上都是沒有意義的”。

艾長春說，就我國而言，科學(xué)衛(wèi)星的發(fā)展，雖然已有了較好的大環(huán)境，但畢竟“機會”不多，“如果失敗，再來一次可就不容易了”。

2016年3月，悟空號飛天不到3個月，中科院國家空間科學(xué)中心即組織專家對衛(wèi)星進行在軌測試總結(jié)評審，當時給出的指標評定為“100分”。如今，悟空號在軌將近兩年，常進說，“所有探測器性能和剛發(fā)射時一樣，依然是100分的狀態(tài)！”

未來：或有下一顆悟空號誕生

或許，外行人很難想象，悟空號的視力究竟要多強，才能稱得上“火眼金睛”？

常進說，悟空號可以對5 GeV到10 TeV之間的電子、伽馬射線實現(xiàn)“經(jīng)濟適用型”觀測。

這是什么概念？1 GeV是10億電子伏特，1 TeV是1000GeV，即1萬億電子伏特。拿人眼來做類比，后者所能接收到最敏感的可見光能量，僅僅為2電子伏特——10000000000000∶2。

常進說，悟空號平均每秒就能“捕捉”60個高能粒子，相當于平均每天500萬個高能粒子。如此取到的“真經(jīng)”，用人們所熟悉的數(shù)據(jù)量來計算，每天就有16 GB。

盡管截至目前，這些數(shù)據(jù)還沒能回答人們最關(guān)心的那個問題：到底暗物質(zhì)存不存在。

這就涉及一個深層次的追問，即人類為何要耗費巨資來做這些“可能得不到答案”甚至“一無所獲、風險很大”的研究。

印格致就此講了粒子物理學(xué)研究歷史上那個著名的故事——

物理學(xué)家羅伯特·威爾遜，是著名的高能物理研究中心費米實驗室的第一位主任，有一次接受美國國會的詢問。一位參議員問他：費米實驗室的研究成果，是否可以用于增強國防？

威爾遜的答案很直接：成果無法用于國防。

這位參議員很不解，繼續(xù)追問，威爾遜于是解釋：研究粒子物理，與我們?nèi)绾慰创舜擞嘘P(guān)，與人類的尊嚴有關(guān)，與我們對于文化的熱愛有關(guān)——雖然粒子物理與國防沒有直接關(guān)系，但它讓我們更想保護自己的國家！

這樣的問答在印格致看來，已足以證明人類需要盡全力去解答“我們?yōu)楹卧谟钪嬷写嬖凇边@樣宏大的問題——這也是為何我們要投資基礎(chǔ)科學(xué)研究。

事實上，自20世紀以來，重大基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)逐漸由科學(xué)家的自由探索，轉(zhuǎn)為國家資助的、有組織的定向基礎(chǔ)研究。白春禮說，在這種背景下，前沿研究主要依靠兩大設(shè)施，一是地面上的大科學(xué)裝置，另一個是空間的科學(xué)探測儀器。

這些僅靠個人興趣已很難企及，必須依賴政府公益性的投入——這個過程中，那些富有遠見的、敢冒險的投入顯得十分可貴。

2011年1月，中科院啟動實施空間科學(xué)先導(dǎo)專項，其總體目標是在“最具優(yōu)勢和最具重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力”的科學(xué)熱點領(lǐng)域，通過自主和國際合作科學(xué)衛(wèi)星計劃，實現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破。

悟空號就“誕生”于這個先導(dǎo)專項。

常進告訴記者，未來不排除有下一顆悟空號面世的可能——這一切還要看當下這顆衛(wèi)星“后半生”的表現(xiàn)。他說，第二批成果預(yù)計明年年底出爐。

當然，探索過程中也并非沒有意想之外的收獲。

印格致說，高能粒子物理研究中產(chǎn)生的技術(shù)，就改變了我們操縱世界的方式。比如，所謂互聯(lián)網(wǎng)概念，正是源于粒子物理學(xué)家對于快速便利共享信息的需求，如今這項技術(shù)幾乎是每個人都離不開的。

中國青年報·中青在線記者 邱晨輝 來源：中國青年報 ( 2017年12月04日 12 版)

[責任編輯：楊凡、彭芳]

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