“悟空”發(fā)現(xiàn)疑似暗物質(zhì)蹤跡

陳芳 董瑞豐 蔡玉高 蔣芳

暗物質(zhì)，一個(gè)人類追尋多年的宇宙魅影，最近被中國“悟空”發(fā)現(xiàn)了疑似蹤跡。

國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》于北京時(shí)間30日在線發(fā)布，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”在太空中測量到電子宇宙射線的一處異常波動(dòng)。這一神秘訊號(hào)首次為人類所觀測，意味著中國科學(xué)家取得了一項(xiàng)開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。

“‘悟空的最新發(fā)現(xiàn)，是引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破?！敝锌圃涸洪L白春禮說，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)具有劃時(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。

探問宇宙之謎的火炬，傳承到新時(shí)代的中國人手中。從“東方紅一號(hào)”到“悟空”，從茫茫深海到浩渺太空，“中國夢”正承載起更多為全人類探尋未知、解答未知的使命。

打開“新窗口”：疑似暗物質(zhì)蹤跡初現(xiàn)？

經(jīng)過兩年持續(xù)觀測，“悟空”在1.4萬億電子伏特（TeV）的超高能譜段，“定位”了一束明顯異于常態(tài)的電子宇宙射線。

“之前沒有人發(fā)現(xiàn)過。”“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)解釋，正常的能譜變化應(yīng)該是一條平滑的曲線，但根據(jù)“悟空”觀測數(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”，意味著此處必有“古怪”。

“現(xiàn)有的物理模型無法解釋‘悟空的最新發(fā)現(xiàn)?！薄蹲匀弧穼徃迦恕⒁晃粐H知名的理論物理學(xué)家這樣評(píng)價(jià)。

新發(fā)現(xiàn)是否就是科學(xué)家苦苦追尋的暗物質(zhì)蹤跡？中科院理論物理研究所所長吳岳良說，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和理論模型無法作出斷定，但這是“暗示了暗物質(zhì)粒子存在的可能的新證據(jù)”。

暗物質(zhì)是什么？發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的意義究竟有多重大？

當(dāng)前主流科學(xué)界認(rèn)為，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量不足5%，剩余部分由暗物質(zhì)和暗能量等構(gòu)成。由于暗物質(zhì)無法被直接觀測，與物質(zhì)相互作用也很弱，人類至今對(duì)它知之甚少。

暗物質(zhì)的“真相”因此位列21世紀(jì)最重要的科學(xué)謎團(tuán)之一。揭開暗物質(zhì)之謎，被認(rèn)為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對(duì)論、量子力學(xué)之后，人類認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的又一次重大飛躍。

面對(duì)誘人前景，科學(xué)家在全球展開競爭，試圖第一個(gè)找到暗物質(zhì)的蹤跡。天上，把強(qiáng)磁場設(shè)備送進(jìn)太空；地下，深入幾千米的大山建造實(shí)驗(yàn)室……科學(xué)家使出渾身解數(shù)，用上了多種探測手段，國際上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備多達(dá)數(shù)十個(gè)。

“‘悟空用的是探測高能宇宙射線的方式，尋找暗物質(zhì)粒子湮滅的間接證據(jù)。”常進(jìn)說，根據(jù)理論模型，暗物質(zhì)湮滅會(huì)產(chǎn)生高能伽馬射線、高能電子等宇宙射線，一旦找到特定的高能宇宙射線，有望推斷出暗物質(zhì)的“廬山真面目”。

“悟空”得出數(shù)據(jù)后，研究人員為了排除分析方法可能產(chǎn)生的干擾，將初始數(shù)據(jù)分別交由4個(gè)中外團(tuán)隊(duì)獨(dú)立分析計(jì)算，最后得出一致結(jié)論：在1.4TeV處確實(shí)出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象。

這是近年來科學(xué)家離暗物質(zhì)最近的一次發(fā)現(xiàn)。常進(jìn)說，如果進(jìn)一步研究確認(rèn)與暗物質(zhì)相關(guān)，人類就可以沿著“悟空”的腳步去找尋宇宙中5%以外的廣袤未知，這將是一個(gè)超出想象的成就。

“即便無法證明是暗物質(zhì)的蹤跡，‘悟空也為全人類打開了觀測宇宙的一扇新窗口?！背＿M(jìn)說。

宇宙撈“針”：“悟空”有哪些絕技

《自然》期刊中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致（Ed Gerstner）對(duì)常進(jìn)的話深以為然?！翱茖W(xué)就是在一個(gè)接一個(gè)的‘可能中不斷接近真理，”他說，“對(duì)科學(xué)家來說，發(fā)現(xiàn)異常未知的那一刻最興奮?！?/p>

不過，尋找“異?！迸c“可能”絕非易事。自2015年底發(fā)射升空，“悟空”探測了35億多個(gè)高能宇宙射線，從中總共搜尋出100多個(gè)異常電子，難度不亞于大海撈針。

“天上的輻射背景太復(fù)雜，需要作出區(qū)分。”“悟空”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師伍健說，與國際同類探測設(shè)備相比，“悟空”在“高能電子、伽馬射線的能量測量準(zhǔn)確度”和“區(qū)分不同種類宇宙射線的本領(lǐng)”這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先，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)。

“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)?！背＿M(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?！拔蚩铡笨茖W(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師范一中說，相比同類設(shè)備，“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，這是中國科研人員自主提出的新探測技術(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。

香港大學(xué)物理系副教授蘇萌說，關(guān)鍵性的“拐折”由“悟空”首次測量出來，說明中國的暗物質(zhì)衛(wèi)星測量水平具有非常獨(dú)到的優(yōu)勢。

“悟空”研究團(tuán)隊(duì)也坦承，目前數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量還不夠，存在一定的統(tǒng)計(jì)誤差。“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(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。

好消息是，“悟空”在軌運(yùn)行狀況很好，預(yù)計(jì)衛(wèi)星在天工作時(shí)間會(huì)大大超過設(shè)計(jì)壽命。“悟空”研究團(tuán)隊(duì)透露，今后兩三年是衛(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，還將有系列重大成果發(fā)布。

探索“無人區(qū)”：中國瞄準(zhǔn)人類科學(xué)前沿

不久前，伍健到歐洲的合作伙伴總部訪問，會(huì)議室陳列了三個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的標(biāo)志，按時(shí)間順序分別是費(fèi)米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀和“悟空”。“這是他們從數(shù)十個(gè)合作項(xiàng)目中選出的、有代表性的實(shí)驗(yàn)，在相關(guān)領(lǐng)域最有希望取得成就?！蔽榻≌f。

“悟空”對(duì)暗物質(zhì)的探尋，已經(jīng)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。原創(chuàng)思想、技術(shù)實(shí)力，這些年來“悟空”研究團(tuán)隊(duì)沒少被質(zhì)疑。

上世紀(jì)90年代末，由于資金短缺，常進(jìn)加入美國一個(gè)高能宇宙射線研究項(xiàng)目。起初，他的觀測方法得不到美方同行的認(rèn)同，經(jīng)過反復(fù)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，美方的南極氣球項(xiàng)目終于采納了他的方法，并在高能電子觀測方面取得重要進(jìn)展。

時(shí)隔多年，美國團(tuán)隊(duì)中一位教授在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上提到此事，還連連感慨：“中國的常教授當(dāng)年給我們帶來一個(gè)瘋狂的想法，結(jié)果一舉成功！”

“悟空”用的一個(gè)探測器關(guān)鍵芯片需要進(jìn)口，但當(dāng)時(shí)國外對(duì)中國禁運(yùn)這類芯片?！拔蚩铡毖芯繄F(tuán)隊(duì)從零開始，研究芯片、改裝芯片，最終用自己的技術(shù)解決了這一問題。

“整天跟著別人屁股后面搞研究，談何自主創(chuàng)新？”常進(jìn)說，“中國的科研人員一定要有自信，外國的技術(shù)路線不見得比我們強(qiáng)，關(guān)鍵在于我們找到了正確方法后自己能否守得住?！?/p>

站在科學(xué)的最前沿，也讓中國科學(xué)家贏得更多榮譽(yù)?！拔覀冎鲗?dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，就能把自己的名字署在上面。”范一中說。

從衛(wèi)星設(shè)計(jì)、測試起，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)。

從深海載人技術(shù)到量子保密通信，從“天眼”到“悟空”，中國對(duì)科學(xué)和技術(shù)“無人區(qū)”的探索日漸成為常態(tài)?！熬凵吵伤瑖覍?shí)力不斷增強(qiáng)，對(duì)基礎(chǔ)研究不斷重視，讓以前不可能的事情成為現(xiàn)實(shí)，也讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)更偉大的夢想?！背＿M(jìn)說。