首席科學家詳解：衞星“悟空”如何尋找暗物質？
12月17日，我國把暗物質粒子探測衞星“悟空”成功送入太空，這是人類在探索宇宙核心秘密進程中邁出的又一重要步伐。“悟空”有望用它的“火眼金睛”探測到披着“隱身衣”的暗物質存在的證據。
發射前，暗物質衞星首席科學家、紫金山天文台副台長常進在酒泉衞星發射中心接受了新華社中國特稿社的專訪，詳細解答瞭如何到太空探測暗物質以及暗物質衞星的相關問題。
暗物質衞星首席科學家、紫金山天文台副台長常進在歐洲核子研究中心（CERN）。 圖片來源：中科院國家空間中心
要尋找的“人”，還不知長什麼樣
**記者：**目前很多天文觀測證據已經基本上比較肯定有暗物質的存在，那麼我們現在發射暗物質衞星，是為了進一步證明暗物質的存在呢？還是要弄清它的性質？
**常進：**弄清它的性質。我們知道那裏有一些不發光的物質，但是這些不發光的物質到底是什麼，到現在為止我們不清楚。包括地球附近也有大量的暗物質。天文學家發 現，銀河系裏成千上萬顆恆星的實際觀測速度要大於理論上的速度。太陽的速度理論上是每秒160公里，但是現在觀測太陽的速度大概每秒240公里。如果不存 在暗物質的話，太陽系就應該處於銀河系的更外圍，而不是現在這個位置。
**記者：**暗物質究竟是怎麼產生的？為什麼會有暗物質？
**常進：**產生於宇宙大爆炸，為什麼會有暗物質還不清楚。為什麼暗物質探測這麼熱？就是現有基本的物理知識無法解釋暗物質。一旦找到暗物質，將會帶來物理學的革命性突破。
**記者：**自上世紀30年代初，科學家就發現存在暗物質，經過這麼多年的研究，還是沒有探測到暗物質的明確證據，是因為找的方法不對？還是因為儀器不夠靈敏？
**常進：**是因為理論上，我們根本就沒弄清楚它究竟是什麼東西。如果理論上知道它是一個什麼東西，我們就能很容易把它找到。通俗地講，我們去找一個人，只知道這個人可能存在，但是這個人穿什麼衣服，長什麼樣子，我們根本不清楚，只能通過排除法，或者説一步一步篩選，從一些可疑的跡象篩選。
**記者：**科學家在尋找暗物質的過程中已經排除了一些候選者。我們的衞星要找的是否就是最多人研究的弱相互作用大質量粒子？
**常進：**我們的衞星可以尋找弱相互作用大質量粒子。暗 物質的模型太多了，但是一個討論最為廣泛的模型是弱相互作用大質量粒子（WIMP），在許多新物理模型中可以自然地引入這樣的粒子。但是暗物質究竟是不是 這樣的粒子還不清楚。目前還有一些其他的理論模型，像軸子、惰性中微子，或者是更大質量的很奇異的粒子。現在有關暗物質最主要的問題還沒有弄清楚。
暗物質衞星“悟空”已經發射升空，作為中國首顆專門從事基礎科學研究的衞星，即將展開科學任務。 圖片來源：dpnc.unige.ch
**記者：**誰都不知道暗物質到底是什麼，卻要尋找它，這樣的尋找需要運氣嗎？
**常進：**肯定要有一定的運氣。搞科學不是靠運氣，但是要具體發現什麼，還是有一些運氣的成份在裏面。最主要的不確定性就是，暗物質究竟是什麼，基本的物理性質 都沒有弄清楚。我們現在已經知道暗物質長壽命、不發光、不與其他物質相互作用。其他我們只能根據一些疑似跡象，比如伽馬射線超出，高能電子異常，反質子能 譜異常等來設計探測器，但是有很多不確定性。
通過“兒子”認識“爸爸”
記者：****你們是到太空去尋找暗物質粒子湮滅或衰變的產物，有人把這樣的產物比喻成暗物質的兒子，那麼認識的一個人的兒子就能反推出他爸爸的性質嗎？
**常進：**從兒子可以得到他爸爸的一些性質，不可能得到他爸爸的全部性質，只能一步步推，基本上可以得到他的性質，因為有基因。如果能夠觀測到暗物質湮滅或衰變的產物，那麼暗物質的質量和其他一些物理性質，以及在空間的分佈等信息都可以得到。
記者：****如果你們觀測到的是暗物質粒子湮滅或衰變後的產物，它就變成了普通物質粒子，是不是普通物質都是由暗物質變來的呢？
**常進：**現在有一些科學家從事這方面的研究。一般認為普通物質和暗物質都是在宇宙大爆炸中同時產生的。因為暗物質的反應率這麼低，可以很自然地估計現有的物質不可能全是暗物質產生的。
記者：****暗物質的湮滅是經常發生的嗎？
**常進：**如果暗物質真的相互間發生湮滅，那麼它每時每刻都在發生。但湮滅率太低，人類很難探測到相應的產物。
記者：****我們的衞星就是探測附近發生的湮滅嗎？
**常進：**如果湮滅產生伽馬射線，那麼我們可以探測非常遙遠的宇宙空間；如果是高能電子只能探測太陽系的附近區域，因為高能電子的傳播距離不能太長。但要注意這個地方説的“近”實際上表徵的也是3億億公里這樣的距離。
根據最新的天文學觀測，宇宙中我們看得見摸得着的普通物質，或者説重子物質（黃色），約佔宇宙總質能密度的4.9%，而暗物質（藍色）約佔26.8%，遠遠 超出普通物質。剩餘的68.3%是更加神秘的暗能量（灰色），推動宇宙正加速膨脹。圖片來源：inspirehep.net
記者：****現在研究暗物質主要通過在加速器上“製造”，在地下直接觀測和到太空間接觀測三種方法，這三種方法之間是一種什麼關係？也會互相印證嗎？
**常進：**這三種方法互為補充，可以互相印證。如果我們在天上找到一種暗物質粒子，如果它的質量超過現有的加速器的能量上限的話。那麼加速器的能量就必須再提 高。同樣如果我們把暗物質的質量弄清楚了，會指導地下的直接探測實驗去修改他們的方案。比如現在清華大學、上海交大致力於尋找低質量的暗物質粒子，國際上 一些組主要探測大質量的暗物質粒子。如果我們準確地知道了暗物質粒子的質量，那地下實驗就會變得比較明確了，究竟是找怎樣的暗物質。
“天下武功唯快不破”
**記者：**只要有湮滅我們就能發現嗎？
**常進：**不一定能發現，必須要積累到一定的量以後才能發現。這跟儀器的靈敏度有關係，儀器靈敏度越高，就能發現越微弱的湮滅。我們的暗物質衞星即使找不到，也不代表這種方法未來找不到。“天下武功唯快不破”，做物理就是越靈敏，才越有可能有發現。
**記者：**你們在與美國合作的南極氣球試驗中已經發現了一些高能電子的異常，並且於2008年在《自然》（NATURE）上發表了文章，但是還不能確定這些異常是否來自暗物質，對嗎？
**常進：**對，我們現在也不能確定。現在還沒辦法排除該異常的新類別天體物理輻射源或者是宇宙射線傳播過程中所致的可能性。
**記者：**我們的暗物質衞星怎麼能夠排除其他天體的干擾呢？
**常進：**第 一是提高能量分辨和空間分辨的本領。第二要降低本底，就是把觀測到的信號，與大量的宇宙射線區別開來，降低宇宙射線背景。第三就是提高靈敏度。降低背景， 提高分辨率，還有就是把探測器做得足夠大，都是提高靈敏度的方法。這三個物理指標比別人的高，就證明我們的探測器比人家先進。現在我們在能量分辨方面領 先，還有就是我們的探測器達到了世界上同類設備的最高能段。
記者：****暗物質衞星有四個探測器，請通俗地介紹一下這四個探測器的作用？
**常進：**通俗地解釋，就是我們這個探測器最主要能夠測高能粒子的能量、方向和電荷，以及具備鑑別粒子的本領，這是我們當初建造這個探測器的初衷。我們設計的探測器從頂部到底部都是圍繞這三個物理量和粒子鑑別去設計的。四個探測器組合在一起使用，找暗物質需要各方面的信息。
暗物質衞星結構圖，從上到下依次是塑閃陣列探測器，硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器。圖片來源：dpnc.unige.ch
記者：****從科學設想到變成一顆科學探測衞星，這個過程是怎樣的？
**常 進：**這個過程也不是那麼容易。第一，國際上暗物質的探測已經熱起來了，我們這種方法也能夠用來間接探測暗物質，這是國家選擇我們的原因，也是最主要的原 因。第二，就是我們有一定的技術基礎，這兩點是導致我們能夠將設想變成一顆科學探測衞星的原因。我們做空間探測這一行25年了，有很長的技術積累。
記者：****中國的暗物質衞星研製費用僅僅是美國FERMI望遠鏡和阿爾法磁譜儀的1/7和1/20。我們在這麼少的經費下能夠做出來，是不是也是想了很多辦法？
**常進：**是。關鍵就是不浪費。什麼叫做不浪費？不浪費時間，技術路線不走彎路就是最大的省錢。其實我們用的技術都是世界上最好的成熟的技術，也都是我們有基礎的技術，沒采用我們尚未完全掌握的技術。
打開新窗口，陽光就會照進來
**記者：**您對於這次發射的暗物質衞星的期待是什麼？
**常進：**我現在期待它工作正常就行了。只要衞星工作正常，就為我們打開了一扇新的窗口，陽光就會照進這個窗口來。
我們這個暗物質衞星，只是瞄準暗物質可能產生的一種現象，也就是暗物質粒子湮滅或者衰變的時候它會產生的一些高能粒子，這叫間接法。至於間接法能不能找到暗 物質，我現在也不能告訴你。我可以告訴你的是，儘管暗物質粒子探測器最主要的目標是去找暗物質，但是這個探測器本身就是一個望遠鏡，一旦打開這扇新的窗 户，必然有好多新奇的現象。究竟這個新奇的現象是逮到了暗物質還是其他的一些新的天文、物理現象我們還不清楚。
**記者：**究竟觀測到了什麼就表明是暗物質？
**常進：**它發現的任何東西對我來講都是很新奇的，但是對於判斷暗物質，由全世界的理論物理學家説了算。我們會發布對伽馬射線、宇宙射線的高精度測量結果。實際上，伽馬射線譜線，高能電子的能譜，高能正電子的能譜，伽馬射線空間的分佈等都可以用來研究暗物質。
**記者：**有的專家説現在已經在發現暗物質的邊緣，丁肇中先生有一次接受採訪説還有五到十年就能發現暗物質，您認為還要多長時間才能發現暗物質？
**常進：**我認為要確定性地發現暗物質需要全世界相關科學家的共同努力，準確時間難以預計。
記者：****中國現在能夠為純基礎科學研究發射一顆衞星，這是否説明中國的基礎科學得到了重視？
**常進：**儘管中國的科學水平在某些方面和國際上有差距，但我們不能妄自菲薄。國家對基礎科學、空間科學予以了高度重視，也是我國科學技術水平已經達到了一定程度的具體體現。只要大家埋頭幹，中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破。