中国第一颗暗物质粒子探测卫星悟空号“取经”记

2017-12-04 09:49 来源:中国青年报 
2017-12-04 09:49:42来源:中国青年报作者:责任编辑:肖春芳

  中国科学家在暗物质研究上逐渐走到了舞台中央

  悟空号“取经”记

  著名科幻作家艾萨克·阿西莫夫曾经说过:在科学探索中,听到最激动人心的话,不是“尤里卡,我找到了”,而是“嗯……这挺奇怪!”恰是在最重要的新发现之前所出现的那一句。

  眼下悟空号的“取经”之旅,似乎就是这样。

  截至目前,包括科学家在内的人类,尚未搞清楚悟空号带回的首批成果究竟代表着什么,我们唯一知道的是:这些结果是“出乎意料之外的”,是“人类此前从未看到过的”。而在自然科研中国区科学总监印格致看来,就意味着“它们有潜力改变我们看待宇宙的方式!”

  两年前,同样是在一个冬天,作为我国第一颗暗物质粒子探测卫星,悟空号成功飞天,踏上了 “取经”之路。如今科学家发布的,正是它在太空遨游530天的结果,按照3年的设计寿命,悟空号的太空之旅已经过半。留给悟空号的时间不多了,人类的脚步可能需要更快些。

  530天:中国科学家逐渐走到舞台中央

  多年前,当天文学家发现“恒星围绕银河系中心旋转的速度太快”时,不得不设想——在银河系中除了可见物质,可能还有其他看不见的物质,它们合在一起的引力拉着这些恒星,使其不至于由于速度过高而飞离银河系。

  人类为此所做的计算表明,这些“看不见的物质”总量远远超过“看得见的物质”。于是,前者就被暂时称为暗物质。

  用空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季的话说,暗物质之所以被称为“暗”,是因为人类对它——这个比我们肉眼能够看见的物质还要多4倍的神秘物质知之甚少,目前还只能通过引力作用进行推算。

  揭开暗物质之谜,因此被认为是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后,基础科学领域的又一次重大飞跃——其重要性以及难度之大可见一斑。

  目前,人类“捕捉”暗物质主要有3种方法,可以形象地称之为“上天、入地、对撞机”。这其中“上天”是间接探测方法,即“捕捉”暗物质互相湮灭时产生的痕迹。

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说,尽管暗物质不会发光、也不与光作用,普通光学观测也无法发现,不过当一对暗物质粒子偶然正碰的时候,会同时湮灭,可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。

  换言之,如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。

  目前,“上天”的暗物质猎手中有3个较为知名,一个是安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪2号,一个是美国宇航局的费米太空望远镜,一个就是中国的悟空号,而相比之下,悟空号是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器。

  如今,发布的数据结果也再次证实这一点:悟空号实现了国际上最精确和最高效的探测,与之相应的是,悟空号为人类观测宇宙打开了一扇新的窗户,并为人类判断暗物质是否存在提供了“关键性数据”。

  11月27日,这批成果在中国科学院发布时,成功吸引了10多家外国媒体登门采访——这在该院学术成果发布历史上还是头一回,在整个中国学术界也十分罕见。

  当天,在众多媒体和闪光灯的包围下,中国科学院院长白春礼院士也没有掩饰自己在这种时刻该有的兴奋、激动,他说:“今天是一个非常重要的日子,也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。”

  “因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。”白春礼说。

  当然,悟空号用其前半生所带来的突破,可能还需要人类再“消化”一阵子——28亿高能宇宙射线,150万25GeV能量以上的电子宇宙射线,国际上精度最高的电子能谱,以及人类第一次直接“看到”电子宇宙射线能谱在1 TeV处的“拐折”,等等——国际天文学界、物理学界已经“炸开了锅”,夜以继日地计算、分析。

  12年:“更大的探测器”从无到有

  从某种意义上说,这530天就像一场惊心动魄的“猎捕”行动,而在悟空号登入太空猎场之前,则是漫长的等待和验证。

  这一切,还要从常进多年前的一次气球实验说起。

  那是一次中美联合实验,地点在南极。在当时的实验中,常进所使用的探测器,已经能够测量非常高的能量,他发现了一个奇怪的现象:有一个能量段,大家都认为其计数率应该“下降”,但测量的结果却显示为“超出”,也就是不降反增了。

  一石激起千层浪,科学家反复讨论:这个奇异现象的背后是否隐藏着暗物质的存在?

  遗憾的是,常进当时所获得的数据太少,置信度不高,因此“无法完全确定”。

  到了2005年,吴季来到常进的办公室,那是两人第一次相见。常进把这个故事讲给吴季听,并把那条“奇怪的曲线”翻出来给他看。

  吴季至今记得,常进当时“非常激动”,“他说,如果能做一个更大的探测器,并把它放到卫星上,他就一定能够断定,奇怪的东西是不是暗物质湮灭产生的高能粒子?”

  这一幕发生在12年前。那之后,就迎来了人们所熟知的悟空号“出炉记”。

  当然,整个过程并不容易。悟空号身上最核心和最重的部分是一个名为“BGO”的晶体量能器。在论证阶段,吴季曾问过常进,为什么用BGO晶体——“太重了,很烧钱”,如果用其他的,整个卫星可能会轻一点。

  常进回答得很干脆,用,一定要用。

  他告诉吴季,在中科院硅酸盐所,有一个技术工人,可以造出世界上最长的BGO晶体,如此一来,就可以大大提高探测效率,“将年化为月,将月化为周,如此,就可能赶在外国人之前发现暗物质”。

  这一点,暗物质卫星工程总设计师艾长春颇有体会。

  在接触悟空号之前,艾长春主要从事应用卫星的研制,对比两者,他发现,悟空号这样的科学卫星,从事的是空间科学研究,属基础科学研究范畴,其产出就是科学发现,而科学发现“只有第一,没有第二!”

  在接受中国青年报·中青在线记者采访时,他反复念叨一个词:“机会”。“机会很重要,很关键,很难得!大家都在做同一件事,你把握不住机会,没有在第一时间得到世界认可的科学发现,那么你过去所有的努力基本上都是没有意义的”。

  艾长春说,就我国而言,科学卫星的发展,虽然已有了较好的大环境,但毕竟“机会”不多,“如果失败,再来一次可就不容易了”。

  2016年3月,悟空号飞天不到3个月,中科院国家空间科学中心即组织专家对卫星进行在轨测试总结评审,当时给出的指标评定为“100分”。如今,悟空号在轨将近两年,常进说,“所有探测器性能和刚发射时一样,依然是100分的状态!”

  未来:或有下一颗悟空号诞生

  或许,外行人很难想象,悟空号的视力究竟要多强,才能称得上“火眼金睛”?

  常进说,悟空号可以对5 GeV到10 TeV之间的电子、伽马射线实现“经济适用型”观测。

  这是什么概念?1 GeV是10亿电子伏特,1 TeV是1000GeV,即1万亿电子伏特。拿人眼来做类比,后者所能接收到最敏感的可见光能量,仅仅为2电子伏特——10000000000000∶2。

  常进说,悟空号平均每秒就能“捕捉”60个高能粒子,相当于平均每天500万个高能粒子。如此取到的“真经”,用人们所熟悉的数据量来计算,每天就有16 GB。

  尽管截至目前,这些数据还没能回答人们最关心的那个问题:到底暗物质存不存在。

  这就涉及一个深层次的追问,即人类为何要耗费巨资来做这些“可能得不到答案”甚至“一无所获、风险很大”的研究。

  印格致就此讲了粒子物理学研究历史上那个著名的故事——

  物理学家罗伯特·威尔逊,是著名的高能物理研究中心费米实验室的第一位主任,有一次接受美国国会的询问。一位参议员问他:费米实验室的研究成果,是否可以用于增强国防?

  威尔逊的答案很直接:成果无法用于国防。

  这位参议员很不解,继续追问,威尔逊于是解释:研究粒子物理,与我们如何看待彼此有关,与人类的尊严有关,与我们对于文化的热爱有关——虽然粒子物理与国防没有直接关系,但它让我们更想保护自己的国家!

  这样的问答在印格致看来,已足以证明人类需要尽全力去解答“我们为何在宇宙中存在”这样宏大的问题——这也是为何我们要投资基础科学研究。

  事实上,自20世纪以来,重大基础前沿领域的科学发现,已经逐渐由科学家的自由探索,转为国家资助的、有组织的定向基础研究。白春礼说,在这种背景下,前沿研究主要依靠两大设施,一是地面上的大科学装置,另一个是空间的科学探测仪器。

  这些仅靠个人兴趣已很难企及,必须依赖政府公益性的投入——这个过程中,那些富有远见的、敢冒险的投入显得十分可贵。

  2011年1月,中科院启动实施空间科学先导专项,其总体目标是在“最具优势和最具重大科学发现潜力”的科学热点领域,通过自主和国际合作科学卫星计划,实现科学上的重大创新突破。

  悟空号就“诞生”于这个先导专项。

  常进告诉记者,未来不排除有下一颗悟空号面世的可能——这一切还要看当下这颗卫星“后半生”的表现。他说,第二批成果预计明年年底出炉。

  当然,探索过程中也并非没有意想之外的收获。

  印格致说,高能粒子物理研究中产生的技术,就改变了我们操纵世界的方式。比如,所谓互联网概念,正是源于粒子物理学家对于快速便利共享信息的需求,如今这项技术几乎是每个人都离不开的。

  中国青年报·中青在线记者 邱晨辉

[责任编辑:肖春芳]

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