我国第一颗暗物质粒子探测卫星悟空号“取经”记

　　著名科幻作家艾萨克?阿西莫夫曾经说过：在科学探索中，听到最激动人心的话，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……这挺奇怪！”恰是在最重要的新发现之前所出现的那一句。眼下悟空号的“取经”之旅，似乎就是这样。 截至目前，包括科学家在内的人类，尚未搞清楚悟空号带回的首批成果究竟代表着什么，我们唯一知道的是：这些结果是“出乎意料之外的”，是“人类此前从未看到过的”。而在自然科研中国区科学总监印格致看来，就意味着“它们有潜力改变我们看待宇宙的方式！”


　　悟空号卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。


悟空号卫星示意图。中科院供图

　　两年前，同样是在一个冬天，作为我国第一颗暗物质粒子探测卫星，悟空号成功飞天，踏上了 “取经”之路。如今科学家发布的，正是它在太空遨游530天的结果，按照3年的设计寿命，悟空号的太空之旅已经过半。留给悟空号的时间不多了，人类的脚步可能需要更快些。

　　530天：中国科学家逐渐走到舞台中央

　　多年前，当天文学家发现“恒星围绕银河系中心旋转的速度太快”时，不得不设想――在银河系中除了可见物质，可能还有其他看不见的物质，它们合在一起的引力拉着这些恒星，使其不至于由于速度过高而飞离银河系。

　　人类为此所做的计算表明，这些“看不见的物质”总量远远超过“看得见的物质”。于是，前者就被暂时称为暗物质。

　　用空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季的话说，暗物质之所以被称为“暗”，是因为人类对它――这个比我们肉眼能够看见的物质还要多4倍的神秘物质知之甚少，目前还只能通过引力作用进行推算。

　　揭开暗物质之谜，因此被认为是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后，基础科学领域的又一次重大飞跃――其重要性以及难度之大可见一斑。

　　目前，人类“捕捉”暗物质主要有3种方法，可以形象地称之为“上天、入地、对撞机”。这其中“上天”是间接探测方法，即“捕捉”暗物质互相湮灭时产生的痕迹。

　　暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说，尽管暗物质不会发光、也不与光作用，普通光学观测也无法发现，不过当一对暗物质粒子偶然正碰的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。

　　换言之，如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。

　　目前，“上天”的暗物质猎手中有3个较为知名，一个是安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪2号，一个是美国宇航局的费米太空望远镜，一个就是中国的悟空号，而相比之下，悟空号是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。

　　如今，发布的数据结果也再次证实这一点：悟空号实现了国际上最精确和最高效的探测，与之相应的是，悟空号为人类观测宇宙打开了一扇新的窗户，并为人类判断暗物质是否存在提供了“关键性数据”。

　　11月27日，这批成果在中国科学院发布时，成功吸引了10多家外国媒体登门采访――这在该院学术成果发布历史上还是头一回，在整个中国学术界也十分罕见。

　　当天，在众多媒体和闪光灯的包围下，中国科学院院长白春礼院士也没有掩饰自己在这种时刻该有的兴奋、激动，他说：“今天是一个非常重要的日子，也许在人类科学发展的历史上，大家会记住今天。”

　　“因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央。中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。”白春礼说。

　　当然，悟空号用其前半生所带来的突破，可能还需要人类再“消化”一阵子――28亿高能宇宙射线，150万25GeV能量以上的电子宇宙射线，国际上精度最高的电子能谱，以及人类第一次直接“看到”电子宇宙射线能谱在1 TeV处的“拐折”，等等――国际天文学界、物理学界已经“炸开了锅”，夜以继日地计算、分析。

　　12年：“更大的探测器”从无到有

　　从某种意义上说，这530天就像一场惊心动魄的“猎捕”行动，而在悟空号登入太空猎场之前，则是漫长的等待和验证。

　　这一切，还要从常进多年前的一次气球实验说起。

　　那是一次中美联合实验，地点在南极。在当时的实验中，常进所使用的探测器，已经能够测量非常高的能量，他发现了一个奇怪的现象：有一个能量段，大家都认为其计数率应该“下降”，但测量的结果却显示为“超出”，也就是不降反增了。

　　一石激起千层浪，科学家反复讨论：这个奇异现象的背后是否隐藏着暗物质的存在？

　　遗憾的是，常进当时所获得的数据太少，置信度不高，因此“无法完全确定”。

　　到了2005年，吴季来到常进的办公室，那是两人第一次相见。常进把这个故事讲给吴季听，并把那条“奇怪的曲线”翻出来给他看。

　　吴季至今记得，常进当时“非常激动”，“他说，如果能做一个更大的探测器，并把它放到卫星上，他就一定能够断定，奇怪的东西是不是暗物质湮灭产生的高能粒子？”

　　这一幕发生在12年前。那之后，就迎来了人们所熟知的悟空号“出炉记”。

　　当然，整个过程并不容易。悟空号身上最核心和最重的部分是一个名为“BGO”的晶体量能器。在论证阶段，吴季曾问过常进，为什么用BGO晶体――“太重了，很烧钱”，如果用其他的，整个卫星可能会轻一点。

　　常进回答得很干脆，用，一定要用。

　　他告诉吴季，在中科院硅酸盐所，有一个技术工人，可以造出世界上最长的BGO晶体，如此一来，就可以大大提高探测效率，“将年化为月，将月化为周，如此，就可能赶在外国人之前发现暗物质”。

　　这一点，暗物质卫星工程总设计师艾长春颇有体会。

　　在接触悟空号之前，艾长春主要从事应用卫星的研制，对比两者，他发现，悟空号这样的科学卫星，从事的是空间科学研究，属基础科学研究范畴，其产出就是科学发现，而科学发现“只有第一，没有第二！”

　　在接受中国青年报?中青在线记者采访时，他反复念叨一个词：“机会”。“机会很重要，很关键，很难得！大家都在做同一件事，你把握不住机会，没有在第一时间得到世界认可的科学发现，那么你过去所有的努力基本上都是没有意义的”。

　　艾长春说，就我国而言，科学卫星的发展，虽然已有了较好的大环境，但毕竟“机会”不多，“如果失败，再来一次可就不容易了”。

　　2016年3月，悟空号飞天不到3个月，中科院国家空间科学中心即组织专家对卫星进行在轨测试总结评审，当时给出的指标评定为“100分”。如今，悟空号在轨将近两年，常进说，“所有探测器性能和刚发射时一样，依然是100分的状态！”

　　未来：或有下一颗悟空号诞生

　　或许，外行人很难想象，悟空号的视力究竟要多强，才能称得上“火眼金睛”？

　　常进说，悟空号可以对5 GeV到10 TeV之间的电子、伽马射线实现“经济适用型”观测。

　　这是什么概念？1 GeV是10亿电子伏特，1 TeV是1000GeV，即1万亿电子伏特。拿人眼来做类比，后者所能接收到最敏感的可见光能量，仅仅为2电子伏特――10000000000000∶2。

　　常进说，悟空号平均每秒就能“捕捉”60个高能粒子，相当于平均每天500万个高能粒子。如此取到的“真经”，用人们所熟悉的数据量来计算，每天就有16 GB。

　　尽管截至目前，这些数据还没能回答人们最关心的那个问题：到底暗物质存不存在。

　　这就涉及一个深层次的追问，即人类为何要耗费巨资来做这些“可能得不到答案”甚至“一无所获、风险很大”的研究。

　　印格致就此讲了粒子物理学研究历史上那个著名的故事――

　　物理学家罗伯特?威尔逊，是著名的高能物理研究中心费米实验室的第一位主任，有一次接受美国国会的询问。一位参议员问他：费米实验室的研究成果，是否可以用于增强国防？

　　威尔逊的答案很直接：成果无法用于国防。

　　这位参议员很不解，继续追问，威尔逊于是解释：研究粒子物理，与我们如何看待彼此有关，与人类的尊严有关，与我们对于文化的热爱有关――虽然粒子物理与国防没有直接关系，但它让我们更想保护自己的国家！

　　这样的问答在印格致看来，已足以证明人类需要尽全力去解答“我们为何在宇宙中存在”这样宏大的问题――这也是为何我们要投资基础科学研究。

　　事实上，自20世纪以来，重大基础前沿领域的科学发现，已经逐渐由科学家的自由探索，转为国家资助的、有组织的定向基础研究。白春礼说，在这种背景下，前沿研究主要依靠两大设施，一是地面上的大科学装置，另一个是空间的科学探测仪器。

　　这些仅靠个人兴趣已很难企及，必须依赖政府公益性的投入――这个过程中，那些富有远见的、敢冒险的投入显得十分可贵。

　　2011年1月，中科院启动实施空间科学先导专项，其总体目标是在“最具优势和最具重大科学发现潜力”的科学热点领域，通过自主和国际合作科学卫星计划，实现科学上的重大创新突破。

　　悟空号就“诞生”于这个先导专项。

　　常进告诉记者，未来不排除有下一颗悟空号面世的可能――这一切还要看当下这颗卫星“后半生”的表现。他说，第二批成果预计明年年底出炉。

　　当然，探索过程中也并非没有意想之外的收获。

　　印格致说，高能粒子物理研究中产生的技术，就改变了我们操纵世界的方式。比如，所谓互联网概念，正是源于粒子物理学家对于快速便利共享信息的需求，如今这项技术几乎是每个人都离不开的。

　　中国青年报?中青在线记者 邱晨辉