“悟空”火眼金睛探究暗物質(zhì)謎團：怎樣施展“神通”

“悟空”首席科學(xué)家常進在中科院國家空間科學(xué)中心空間科學(xué)任務(wù)大廳介紹衛(wèi)星工作情況。

在中科院紫金山天文臺，“悟空”首席科學(xué)家常進（中）和他的團隊。新華社記者 金立旺 攝

刊發(fā)在《自然》雜志上的“悟空”高精度電子能譜，在1.4TeV附近出現(xiàn)劇烈波動。（資料圖片）

在宇宙中，有什么比引力波還難找？如果把這個問題拋給物理學(xué)家，答案一定是暗物質(zhì)和暗能量。它們產(chǎn)生的萬有引力左右著宇宙演化和物質(zhì)運動，卻至今難覓蹤跡，被稱作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”。

暗能量離我們還很遙遠，暗物質(zhì)卻有望在不久的將來被揭開神秘面紗。在各國爭相投入研究的情況下，我國也于2015年12月17日發(fā)射了世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最高的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”。在軌運行兩年多來，“悟空”不辱使命，搜尋出100多個異常電子，并直接測量到了電子宇宙射線能譜的一處拐折。這些訊號讓暗物質(zhì)研究更進了一步。

習(xí)近平總書記近日在中國科學(xué)院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會上發(fā)表重要講話指出，“悟空、墨子、慧眼、碳衛(wèi)星等系列科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，500米口徑球面射電望遠鏡、上海光源、全超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置等重大科研基礎(chǔ)設(shè)施為我國開展世界級科學(xué)研究奠定了重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。”

科技創(chuàng)新大潮澎湃，千帆競發(fā)勇進者勝。近日，記者采訪中科院紫金山天文臺“悟空”研究團隊，探尋他們的研究成果。

驅(qū)散“烏云”：如何尋找暗物質(zhì)？

當(dāng)我們仰望星空時，除了太陽、月亮、星星外，感覺宇宙空蕩蕩的。然而，這很可能是一種錯覺——早在20世紀(jì)初，多位科學(xué)家相繼提出，宇宙中存在發(fā)光很弱或者不發(fā)光的暗物質(zhì)。

現(xiàn)代天文學(xué)家通過引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成、宇宙膨脹行為的研究表明，宇宙的密度由約4.9%的普通物質(zhì)，26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量組成。也就是說，我們能看到的普通物質(zhì)在整個宇宙中只占不到5%，剩下95.1%的組成部分，我們都看不到。

暗物質(zhì)屬性奇特，對人類而言，它們以一種看不見摸不著的狀態(tài)存在。

這里所說的“看不見”，不單單是指用人類的肉眼在可見光波段看不見，而是不論探測什么波段的電磁波，比如無線電、紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。由于暗物質(zhì)既不發(fā)光，也不參與電磁作用，人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)感受到它的存在，但一直還沒有確鑿的證據(jù)。

如此神秘而又重要的存在，讓暗物質(zhì)成為現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)的一大謎團。對其物理本質(zhì)的研究必將帶來基礎(chǔ)物理學(xué)的重大突破，產(chǎn)生科學(xué)技術(shù)的革命。

“暗物質(zhì)粒子的探測目前是國際科學(xué)前沿競爭最為激烈的研究領(lǐng)域。”“悟空”首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進介紹，通過天文觀測，科學(xué)家推斷暗物質(zhì)有兩個重要特征，一是其很可能是一種新的重粒子，二是其自身和普通物質(zhì)之間可能有微弱的相互作用。這就可以有針對性地設(shè)計實驗探測暗物質(zhì)。

據(jù)了解，各國科研團隊主要采用三種方法尋找暗物質(zhì)：

第一種是利用粒子對撞設(shè)備，看能否在實驗中產(chǎn)生暗物質(zhì)。這方面的代表是歐洲的大型強子對撞機。

第二種是在很深的地下挖個隧道，屏蔽地表宇宙射線的影響，捕捉暗物質(zhì)粒子和普通原子核的碰撞。位于我國四川南部地底深處的錦屏地下實驗室就是全球最深的暗物質(zhì)探測實驗室，于2010年投入使用。由清華大學(xué)主導(dǎo)的暗物質(zhì)實驗合作組利用一種國際首創(chuàng)的高純鍺探測系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)將暗物質(zhì)直接探測靈敏度提高到目前國際最高水平。

第三種是在太空中觀測暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物。比如多國合作的阿爾法磁譜儀實驗和我國的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星采用的是這種觀測方式。

根據(jù)目前理論物理學(xué)家的解釋，如果暗物質(zhì)粒子相互碰撞并湮滅，產(chǎn)生高能電子，那么到太空去精確地探測高能電子能譜，就可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。常進表示，“悟空”本質(zhì)上是一個高能粒子探測器。因為大氣層的阻擋，在地面探測這些高能量的粒子比較困難，就將儀器發(fā)射到太空去。

大海撈針：“悟空”怎樣施展“神通”？

“暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號很微弱，所以需要高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計量、低成本的高能粒子望遠鏡。”常進說，“悟空”正是瞄準(zhǔn)這個方向研制的。

資料顯示，“悟空”的長寬高分別只有1.5米、1.5米、1.2米，跟一張辦公桌差不多體積，比記者預(yù)想小很多。

“它體積雖小，‘武藝’卻十分高強。”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程總師艾長春介紹，“悟空”由4個科學(xué)探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

借助探測器的“火眼金睛”，“悟空”的動態(tài)探測范圍可達100萬倍。“如果把‘悟空’比作人的眼睛，相當(dāng)于既能看到一個兩米高的籃球運動員，又能看到運動員體內(nèi)的血小板。”常進說。

自2015年底發(fā)射升空以來，“悟空”一直在500公里太陽同步軌道上運行。在最初的兩年里，它采用巡天觀測模式，從各個方向掃描太空。目前，它正根據(jù)全天區(qū)探測的結(jié)果，對暗物質(zhì)最可能被觀察到的區(qū)域進行定向觀測。

“‘悟空’升空以來，每天繞地球飛行15圈，平均每秒鐘獲得60個高能粒子，每天獲得500萬個高能粒子。”常進表示，從發(fā)射到現(xiàn)在，衛(wèi)星工作十分穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)異。

然而，尋找“異常”與“可能”絕非易事。兩年多來，“悟空”探測了35億多個高能宇宙射線，從中僅搜尋出100多個異常電子，難度不亞于大海撈針。“就好比在有上千萬人口的城市里找到特定的一個人，既要快，又要準(zhǔn)。”常進說。

目前國際上知名的相關(guān)研究項目有美國費米衛(wèi)星，日本量能器型電子望遠鏡，以及著名物理學(xué)家丁肇中主持的阿爾法磁譜儀等。“天上的輻射背景太復(fù)雜，需要進行區(qū)分。”“悟空”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師范一中說，與國際同類探測設(shè)備相比，“悟空”顯著提高了電子能量觀測的上限，得到的電子樣本“純凈”程度也最高，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過程中產(chǎn)生的一些非常尖銳的信號。這是中國科研人員自主提出的新探測技術(shù)，實現(xiàn)了對高能電子、伽馬射線的“經(jīng)濟實用型”觀測。

除了暗物質(zhì)探測的目標(biāo)，“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)還可以廣泛用于宇宙射線和高能天體物理的研究，為我們理解宇宙中極端條件天體和激烈活動現(xiàn)象等提供幫助。

勇闖“無人區(qū)”：在不斷探索中前行

去年12月7日，根據(jù)前530天的觀測數(shù)據(jù)，“悟空”的首批科學(xué)成果在《自然》雜志正式發(fā)表。“悟空”在軌運行期間，共采集了約28億個高能粒子。基于這些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上最精確的高能電子宇宙線能譜，引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。

“如果暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生電子、伽馬射線，那么它們的能量不能超過暗物質(zhì)的質(zhì)量。因此在暗物質(zhì)質(zhì)量以上的能段，電子或伽馬射線的流量會突然減少，在能譜上表現(xiàn)為尖銳的拐折?，F(xiàn)在‘悟空’的確在電子宇宙射線能譜中發(fā)現(xiàn)了一個拐折，盡管其最終物理起源還需要深入研究。”范一中解釋說。

這是“悟空”首次探測到的一個非常尖銳的能譜結(jié)構(gòu)。初步數(shù)據(jù)顯示，宇宙射線高能電子約在1.4TeV（萬億電子伏特）附近呈現(xiàn)出尖銳的結(jié)構(gòu)，可能與暗物質(zhì)粒子湮滅有關(guān)。

常進認為，正常的能譜變化應(yīng)該是一條平滑的曲線，但根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，這里突然出現(xiàn)了一處劇烈波動，劃出一個“尖峰”，意味著此處有“古怪”。

因為數(shù)據(jù)量不夠，目前這個“尖銳”的電子能譜結(jié)構(gòu)沒有被確認，現(xiàn)在回答這是否是暗物質(zhì)為時尚早。“我們是‘靠天吃飯’，天上有多少宇宙射線，我們才能測到多少事例。”常進說，要降低統(tǒng)計誤差，唯一辦法是積累大量數(shù)據(jù)，這需要更多時間。

中科院院長白春禮認為，如果后續(xù)研究證實這一發(fā)現(xiàn)與暗物質(zhì)相關(guān)，將是一項劃時代意義的科學(xué)成果，即便與暗物質(zhì)無關(guān)，也可能帶來對現(xiàn)有科學(xué)理論的突破。

“悟空”對暗物質(zhì)的探尋，正逐漸進入科學(xué)的“無人區(qū)”。但在“無人區(qū)”做一個“領(lǐng)跑者”，不是件容易的事。

從衛(wèi)星設(shè)計、測試起，以常進為首的“悟空”研究團隊不斷吸引國內(nèi)外科研人員加入，目前已經(jīng)形成了來自中國、瑞士、意大利等國，人數(shù)超過100名的多學(xué)科頂尖人才團隊。

目前，“悟空”在軌運行狀況優(yōu)異，預(yù)計會大大超過設(shè)計壽命。今后兩三年將是衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵時期，收集到目標(biāo)事例越來越多，繪制的能譜越來越精確。預(yù)計今年年底將發(fā)布“悟空”的第二批科研成果。

“對科學(xué)的追求，是人類社會不斷進步的主要動力。”常進說，暗物質(zhì)的作用我們現(xiàn)在無從得知，但尋找暗物質(zhì)的工作每天都在影響他和他的團隊成員。也許再過100年，人類日常生活都離不開暗物質(zhì)突破后產(chǎn)生的新的理論。