中國第一顆暗物質粒子探測衞星悟空號“取經”記

中國科學家在暗物質研究上逐漸走到了舞台中央

悟空號“取經”記

悟空號衞星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜(紅色數據點)，以及和美國費米衞星測量結果(藍點)、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果(綠點)的比較。

著名科幻作家艾薩克⋅阿西莫夫曾經説過：在科學探索中，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現之前所出現的那一句。

眼下悟空號的“取經”之旅，似乎就是這樣。

截至目前，包括科學家在內的人類，尚未搞清楚悟空號帶回的首批成果究竟代表着什麼，我們唯一知道的是：這些結果是“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科學總監印格致看來，就意味着“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粒子探測衞星，悟空號成功飛天，踏上了 “取經”之路。如今科學家發佈的，正是它在太空遨遊530天的結果，按照3年的設計壽命，悟空號的太空之旅已經過半。留給悟空號的時間不多了，人類的腳步可能需要更快些。

530天：中國科學家逐漸走到舞台中央

多年前，當天文學家發現“恆星圍繞銀河系中心旋轉的速度太快”時，不得不設想——在銀河系中除了可見物質，可能還有其他看不見的物質，它們合在一起的引力拉着這些恆星，使其不至於由於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”總量遠遠超過“看得見的物質”。於是，前者就被暫時稱為暗物質。

用空間科學衞星工程常務副總指揮、中科院國家空間科學中心主任吳季的話説，暗物質之所以被稱為“暗”，是因為人類對它——這個比我們肉眼能夠看見的物質還要多4倍的神秘物質知之甚少，目前還只能通過引力作用進行推算。

揭開暗物質之謎，因此被認為是繼日心説、萬有引力定律、相對論及量子力學之後，基礎科學領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”暗物質互相湮滅時產生的痕跡。

暗物質衞星首席科學家、中科院紫金山天文台副台長常進説，儘管暗物質不會發光、也不與光作用，普通光學觀測也無法發現，不過當一對暗物質粒子偶然正碰的時候，會同時湮滅，可能會放出質子、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，就可能發現暗物質存在的蛛絲馬跡。

目前，“上天”的暗物質獵手中有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範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衞星，超過國際上所有同類探測器。

如今，發佈的數據結果也再次證實這一點：悟空號實現了國際上最精確和最高效的探測，與之相應的是，悟空號為人類觀測宇宙打開了一扇新的窗户，併為人類判斷暗物質是否存在提供了“關鍵性數據”。

11月27日，這批成果在中國科學院發佈時，成功吸引了10多家外國媒體登門採訪——這在該院學術成果發佈歷史上還是頭一回，在整個中國學術界也十分罕見。

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，他説：“今天是一個非常重要的日子，也許在人類科學發展的歷史上，大家會記住今天。”

“因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞台中央。中國科學院、中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出終於有了突破。”白春禮説。

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——國際天文學界、物理學界已經“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

從某種意義上説，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實驗説起。

那是一次中美聯合實驗，地點在南極。在當時的實驗中，常進所使用的探測器，已經能夠測量非常高的能量，他發現了一個奇怪的現象：有一個能量段，大家都認為其計數率應該“下降”，但測量的結果卻顯示為“超出”，也就是不降反增了。

一石激起千層浪，科學家反覆討論：這個奇異現象的背後是否隱藏着暗物質的存在？

遺憾的是，常進當時所獲得的數據太少，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，並把那條“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”，“他説，如果能做一個更大的探測器，並把它放到衞星上，他就一定能夠斷定，奇怪的東西是不是暗物質湮滅產生的高能粒子？”

這一幕發生在12年前。那之後，就迎來了人們所熟知的悟空號“出爐記”。

當然，整個過程並不容易。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，為什麼用BGO晶體——“太重了，很燒錢”，如果用其他的，整個衞星可能會輕一點。

常進回答得很乾脆，用，一定要用。

他告訴吳季，在中科院硅酸鹽所，有一個技術工人，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現暗物質”。

這一點，暗物質衞星工程總設計師艾長春頗有體會。

在接觸悟空號之前，艾長春主要從事應用衞星的研製，對比兩者，他發現，悟空號這樣的科學衞星，從事的是空間科學研究，屬基礎科學研究範疇，其產出就是科學發現，而科學發現“只有第一，沒有第二！”

在接受中國青年報⋅中青在線記者採訪時，他反覆唸叨一個詞：“機會”。“機會很重要，很關鍵，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發現，那麼你過去所有的努力基本上都是沒有意義的”。

艾長春説，就我國而言，科學衞星的發展，雖然已有了較好的大環境，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中心即組織專家對衞星進行在軌測試總結評審，當時給出的指標評定為“100分”。如今，悟空號在軌將近兩年，常進説，“所有探測器性能和剛發射時一樣，依然是100分的狀態！”

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”？

常進説，悟空號可以對5 GeV到10 TeV之間的電子、伽馬射線實現“經濟適用型”觀測。

這是什麼概念？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，後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。

常進説，悟空號平均每秒就能“捕捉”60個高能粒子，相當於平均每天500萬個高能粒子。如此取到的“真經”，用人們所熟悉的數據量來計算，每天就有16 GB。

儘管截至目前，這些數據還沒能回答人們最關心的那個問題：到底暗物質存不存在。

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研究歷史上那個著名的故事——

物理學家羅伯特⋅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，是否可以用於增強國防？

威爾遜的答案很直接：成果無法用於國防。

這位參議員很不解，繼續追問，威爾遜於是解釋：研究粒子物理，與我們如何看待彼此有關，與人類的尊嚴有關，與我們對於文化的熱愛有關——雖然粒子物理與國防沒有直接關係，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“我們為何在宇宙中存在”這樣宏大的問題——這也是為何我們要投資基礎科學研究。

事實上，自20世紀以來，重大基礎前沿領域的科學發現，已經逐漸由科學家的自由探索，轉為國家資助的、有組織的定向基礎研究。白春禮説，在這種背景下，前沿研究主要依靠兩大設施，一是地面上的大科學裝置，另一個是空間的科學探測儀器。

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，中科院啓動實施空間科學先導專項，其總體目標是在“最具優勢和最具重大科學發現潛力”的科學熱點領域，通過自主和國際合作科學衞星計劃，實現科學上的重大創新突破。

悟空號就“誕生”於這個先導專項。

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衞星“後半生”的表現。他説，第二批成果預計明年年底出爐。

當然，探索過程中也並非沒有意想之外的收穫。

印格致説，高能粒子物理研究中產生的技術，就改變了我們操縱世界的方式。比如，所謂互聯網概念，正是源於粒子物理學家對於快速便利共享信息的需求，如今這項技術幾乎是每個人都離不開的。