“悟空”火眼金睛探究暗物質(zhì)謎團(tuán)：怎樣施展“神通”

“悟空”首席科學(xué)家常進(jìn)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(tái)，“悟空”首席科學(xué)家常進(jìn)（中）和他的團(tuán)隊(duì)。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(dòng)。（資料圖片）

在宇宙中，有什么比引力波還難找？如果把這個(gè)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(yùn)動(dòng)，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(yuǎn)，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(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最高的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”。在軌運(yùn)行兩年多來，“悟空”不辱使命，搜尋出100多個(gè)異常電子，并直接測(cè)量到了電子宇宙射線能譜的一處拐折。這些訊號(hào)讓暗物質(zhì)研究更進(jìn)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(huì)、中國工程院第十四次院士大會(huì)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(jí)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(jìng)發(fā)勇進(jìn)者勝。近日，記者采訪中科院紫金山天文臺(tái)“悟空”研究團(tuán)隊(duì)，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(shí)，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(cuò)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(gè)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(duì)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(cè)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(tuán)。對(duì)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(cè)目前是國際科學(xué)前沿競(jìng)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(tái)副臺(tái)長常進(jìn)介紹，通過天文觀測(cè)，科學(xué)家推斷暗物質(zhì)有兩個(gè)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(duì)性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)暗物質(zhì)。

據(jù)了解，各國科研團(tuán)隊(duì)主要采用三種方法尋找暗物質(zhì)：

第一種是利用粒子對(duì)撞設(shè)備，看能否在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生暗物質(zhì)。這方面的代表是歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。

第二種是在很深的地下挖個(gè)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(shí)驗(yàn)室就是全球最深的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，于2010年投入使用。由清華大學(xué)主導(dǎo)的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組利用一種國際首創(chuàng)的高純鍺探測(cè)系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)將暗物質(zhì)直接探測(cè)靈敏度提高到目前國際最高水平。

第三種是在太空中觀測(cè)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(shí)驗(yàn)和我國的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星采用的是這種觀測(cè)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(cè)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(jìn)表示，“悟空”本質(zhì)上是一個(gè)高能粒子探測(cè)器。因?yàn)榇髿鈱拥淖钃酰诘孛嫣綔y(cè)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(hào)很微弱，所以需要高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計(jì)量、低成本的高能粒子望遠(yuǎn)鏡。”常進(jìn)說，“悟空”正是瞄準(zhǔn)這個(gè)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(qiáng)。”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星工程總師艾長春介紹，“悟空”由4個(gè)科學(xué)探測(cè)有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器，可以高精度地測(cè)量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

借助探測(cè)器的“火眼金睛”，“悟空”的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍可達(dá)100萬倍。“如果把‘悟空’比作人的眼睛，相當(dāng)于既能看到一個(gè)兩米高的籃球運(yùn)動(dòng)員，又能看到運(yùn)動(dòng)員體內(nèi)的血小板。”常進(jìn)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(yùn)行。在最初的兩年里，它采用巡天觀測(cè)模式，從各個(gè)方向掃描太空。目前，它正根據(jù)全天區(qū)探測(cè)的結(jié)果，對(duì)暗物質(zhì)最可能被觀察到的區(qū)域進(jìn)行定向觀測(cè)。

“‘悟空’升空以來，每天繞地球飛行15圈，平均每秒鐘獲得60個(gè)高能粒子，每天獲得500萬個(gè)高能粒子。”常進(jìn)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(cè)了35億多個(gè)高能宇宙射線，從中僅搜尋出100多個(gè)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(gè)人，既要快，又要準(zhǔn)。”常進(jìn)說。

目前國際上知名的相關(guān)研究項(xiàng)目有美國費(fèi)米衛(wèi)星，日本量能器型電子望遠(yuǎn)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(jìn)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(cè)設(shè)備相比，“悟空”顯著提高了電子能量觀測(cè)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(hào)。這是中國科研人員自主提出的新探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能電子、伽馬射線的“經(jīng)濟(jì)實(shí)用型”觀測(cè)。

除了暗物質(zhì)探測(cè)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(dòng)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(cè)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(yùn)行期間，共采集了約28億個(gè)高能粒子?；谶@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(huì)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(gè)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(cè)到的一個(gè)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(jìn)認(rèn)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(cè)數(shù)據(jù)，這里突然出現(xiàn)了一處劇烈波動(dòng)，劃出一個(gè)“尖峰”，意味著此處有“古怪”。

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

中科院院長白春禮認(rèn)為，如果后續(xù)研究證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)與暗物質(zhì)相關(guān)，將是一項(xiàng)劃時(shí)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(duì)現(xiàn)有科學(xué)理論的突破。

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

從衛(wèi)星設(shè)計(jì)、測(cè)試起，以常進(jìn)為首的“悟空”研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)。

目前，“悟空”在軌運(yùn)行狀況優(yōu)異，預(yù)計(jì)會(huì)大大超過設(shè)計(jì)壽命。今后兩三年將是衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵時(shí)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(jì)今年年底將發(fā)布“悟空”的第二批科研成果。

“對(duì)科學(xué)的追求，是人類社會(huì)不斷進(jìn)步的主要?jiǎng)恿Α?rdquo;常進(jìn)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(tuán)隊(duì)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。