中國科學家提出“探索極端宇宙”國際科學計劃

*隨着科學大發展，人們對物質世界的研究向着微觀——基本粒子，和宏觀——宇宙研究兩個極端不斷延伸。*在中國科學院高能物理研究所張雙南研究員看來，從研究內容和手段而言，微觀的無窮小與宏觀的無窮大是密不可分，“對粒子物理研究而言，空間實驗是不可替代的手段，粒子物理研究方法可以在空間實現，而對宇宙的研究也需要我們到太空中去。這類極端問題有共同物理過程：引力、磁場、加速，它們共同的研究基礎是粒子天體物理。”

由中國物理學會、南開大學、中國科學院大學、中國科學院高能物理研究所共同主辦的2018年全國物理科普大會9月16日-17日在南開大學召開。張雙南在會上透露，中國科學家正準備發起由中國主導的空間國際大科學計劃——“探索極端宇宙”國際科學計劃。

張雙南介紹，“極端宇宙”內涵六個重要的科學問題。極端起源——宇宙大爆炸的極端過程產生的暗物質和普通物質的比例是大約6：1，但是目前還沒有發現暗物質粒子。極端能量——高能宇宙線的能量比人造加速器的能量高至少一億倍，但是其極端粒子加速過程還不清楚。極端天體——宇宙中的高能伽馬射線源很可能是宇宙極端高能粒子加速器，但是目前的巡天研究還沒有完全證認。極端引力——黑洞提供了宇宙中最強的引力場，但是在這種極端引力條件會發生什麼現象還沒有精確的觀測結果。極端磁場——中子星提供了宇宙中最強的磁場，但是在這種情況下真空漲落會產生什麼還沒有直接的觀測結果。極端密度——中子星內部的物質密度在宇宙中最高，但是其內部是由中子還是夸克物質組成的仍然是未解之謎。每一個問題的解決都可能帶來人們對物質世界的顛覆性認識，將人類對自身、對宇宙的認識推進到一個新高度。

張雙南將這六個“極端”歸為兩類，“前三個極端的研究主要靠空間粒子探測，後三個極端的主要研究手段是空間X射線觀測。”就此，中國科學家提出了“探索極端宇宙”國際科學計劃，這一計劃由兩個項目組成——空間高能宇宙輻射探測設施（HERD）項目，和增強型X射線時變與偏振空間天文台（eXTP）。

2018年7月12日，美國南極中微子天文台和美國費米伽馬射線空間天文台聯合宣佈超大質量黑洞是高能宇宙線源。然而，只有一例探測，尚未達到科學發現標準的5倍標準偏差。需要未來進一步的中微子和高能伽馬射線聯合巡天

張雙南介紹，HERD採用三維位置分辨五面靈敏的創新設計，計劃於2025年安裝在中國空間站上開展空間天文和粒子天體物理實驗，預計在軌運行10年以上，有望在發現暗物質粒子、解決宇宙線起源問題、發現極端天體等科學問題上取得世界領先的成果。

張雙南説：“HERD的核心科學能力將長時間保持大幅度國際領先，將成為中國空間站標誌性的旗艦級重大科學實驗和具有國際影響的大型國際合作項目。”例如，中國“悟空”暗物質探測衞星在宇宙高能電子譜上探測到了一個“尖峯”，如能確認其存在，無論是暗物質粒子湮滅產生的還是一種新類型的天體或者新機制產生的，都將是非常重大的科學發現，因此引起了國際學術界的強烈關注。“但悟空的數據精度目前只有大約3倍標準偏差的顯著性，沒有達到國際公認的5倍標準偏差的‘發現’標準（記者注：意為無法完全排除統計漲落或者其它不確定性，尚不能被確認為發現了新現象。）”，“而位於國際空間站的日美合作的空間實驗CALET，在國際一流雜誌PRL（《物理綜述通訊》）上宣佈以4倍標準偏差否定了‘悟空’的探測結果，但他們的這個結果的顯著性實際上也不夠高，而且按照這兩個儀器的實際工作情況其測量精度還不如‘悟空’。”張雙南説：“那麼，只能期待更高精度和更可靠的實驗來進行判斷。如果HERD能夠成功發射，那麼半年對這個疑似‘尖峯’的探測就可以達到國際公認的5倍標準偏差的‘發現’標準，徹底解決這個重大學術爭論。中國人的科學發現，最好由中國人最後拍板確認！”

作為“慧眼”天文衞星的後續項目，eXTP則將以前所未有的能力揭示極端條件下的物理規律：處於黑洞極強引力場中的物質或者處於中子星表面磁場和核心區的物質。“我們把eXTP 的科學目標總結為‘一奇二星三極端’，通過觀測一奇——黑洞、二星——中子星和夸克星，理解三極端——引力、磁場和密度的物理規律”。

國際空間站AMS02實驗，造價約20億美元。是迄今為止空間運行的最大、最複雜、最貴和最重要的單個實驗，也是國際空間站的標誌性和旗艦級實驗

張雙南介紹，由這兩個項目組成的“探索極端宇宙”國際科學計劃，已經和意大利、德國、西班牙、瑞士、英國和法國等多個國家的科研機構和科學家進行了研討，在一定範圍內達成了一致——HERD由中國發起並領導、以歐洲為主的約10個國家參加；eXTP由中國發起並領導、以歐洲為主的約20個國家參加。“這很可能是中國有史以來發起並領導的、由最多的發達國家實質性貢獻的最大型國際合作科學項目。這兩個項目都提出並且預研了超過10年，創新性強並且技術成熟度高，形成了國際合作團隊並且長期開展了大量的合作，也做好了2025年前發射的科學、技術和國際合作的準備。”