科學也可以如此靠近

悟空號「取經」記

4月
04
2018

2018年4月04日22時 今日科學 新浪新聞

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悟空號衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜(紅色數據點),以及和美國費米衛星測量結果(藍點)、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果(綠點)的比較。

悟空號衛星示意圖。中科院供圖

著名科幻作家艾薩克·阿西莫夫曾經說過:在科學探索中,聽到最激動人心的話,不是「尤里卡,我找到了」,而是「嗯……這挺奇怪!」恰是在最重要的新發現之前所出現的那一句。

眼下悟空號的「取經」之旅,似乎就是這樣。

截至目前,包括科學家在內的人類,尚未搞清楚悟空號帶回的首批成果究竟代表著什麼,我們唯一知道的是:這些結果是「出乎意料之外的」,是「人類此前從未看到過的」。而在自然科研中國區科學總監印格致看來,就意味著「它們有潛力改變我們看待宇宙的方式!」

兩年前,同樣是在一個冬天,作為我國第一顆暗物質粒子探測衛星,悟空號成功飛天,踏上了 「取經」之路。如今科學家發布的,正是它在太空遨遊530天的結果,按照3年的設計壽命,悟空號的太空之旅已經過半。留給悟空號的時間不多了,人類的腳步可能需要更快些。

530天:中國科學家逐漸走到舞台中央

多年前,當天文學家發現「恆星圍繞銀河系中心旋轉的速度太快」時,不得不設想——在銀河系中除了可見物質,可能還有其他看不見的物質,它們合在一起的引力拉著這些恆星,使其不至於由於速度過高而飛離銀河系。

人類為此所做的計算表明,這些「看不見的物質」總量遠遠超過「看得見的物質」。於是,前者就被暫時稱為暗物質。

用空間科學衛星工程常務副總指揮、中科院國家空間科學中心主任吳季的話說,暗物質之所以被稱為「暗」,是因為人類對它——這個比我們肉眼能夠看見的物質還要多4倍的神秘物質知之甚少,目前還只能通過引力作用進行推算。

揭開暗物質之謎,因此被認為是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後,基礎科學領域的又一次重大飛躍——其重要性以及難度之大可見一斑。

目前,人類「捕捉」暗物質主要有3種方法,可以形象地稱之為「上天、入地、對撞機」。這其中「上天」是間接探測方法,即「捕捉」暗物質互相湮滅時產生的痕跡。

暗物質衛星首席科學家、中科院紫金山天文台副台長常進說,儘管暗物質不會發光、也不與光作用,普通光學觀測也無法發現,不過當一對暗物質粒子偶然正碰的時候,會同時湮滅,可能會放出質子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。

換言之,如果能夠精確測量到這些粒子的能譜,就可能發現暗物質存在的蛛絲馬跡。

目前,「上天」的暗物質獵手中有3個較為知名,一個是安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀2號,一個是美國宇航局的費米太空望遠鏡,一個就是中國的悟空號,而相比之下,悟空號是迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星,超過國際上所有同類探測器。

如今,發布的數據結果也再次證實這一點:悟空號實現了國際上最精確和最高效的探測,與之相應的是,悟空號為人類觀測宇宙打開了一扇新的窗戶,並為人類判斷暗物質是否存在提供了「關鍵性數據」。

11月27日,這批成果在中國科學院發布時,成功吸引了10多家外國媒體登門採訪——這在該院學術成果發布歷史上還是頭一回,在整個中國學術界也十分罕見。

當天,在眾多媒體和閃光燈的包圍下,中國科學院院長白春禮院士也沒有掩飾自己在這種時刻該有的興奮、激動,他說:「今天是一個非常重要的日子,也許在人類科學發展的歷史上,大家會記住今天。」

「因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者,逐漸走到了舞台中央。中國科學院、中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出終於有了突破。」白春禮說。

當然,悟空號用其前半生所帶來的突破,可能還需要人類再「消化」一陣子——28億高能宇宙射線,150萬25GeV能量以上的電子宇宙射線,國際上精度最高的電子能譜,以及人類第一次直接「看到」電子宇宙射線能譜在1 TeV處的「拐折」,等等——國際天文學界、物理學界已經「炸開了鍋」,夜以繼日地計算、分析。

12年:「更大的探測器」從無到有

從某種意義上說,這530天就像一場驚心動魄的「獵捕」行動,而在悟空號登入太空獵場之前,則是漫長的等待和驗證。

這一切,還要從常進多年前的一次氣球實驗說起。

那是一次中美聯合實驗,地點在南極。在當時的實驗中,常進所使用的探測器,已經能夠測量非常高的能量,他發現了一個奇怪的現象:有一個能量段,大家都認為其計數率應該「下降」,但測量的結果卻顯示為「超出」,也就是不降反增了。

一石激起千層浪,科學家反覆討論:這個奇異現象的背後是否隱藏著暗物質的存在?

遺憾的是,常進當時所獲得的數據太少,置信度不高,因此「無法完全確定」。

到了2005年,吳季來到常進的辦公室,那是兩人第一次相見。常進把這個故事講給吳季聽,並把那條「奇怪的曲線」翻出來給他看。

吳季至今記得,常進當時「非常激動」,「他說,如果能做一個更大的探測器,並把它放到衛星上,他就一定能夠斷定,奇怪的東西是不是暗物質湮滅產生的高能粒子?」

這一幕發生在12年前。那之後,就迎來了人們所熟知的悟空號「出爐記」。

當然,整個過程並不容易。悟空號身上最核心和最重的部分是一個名為「BGO」的晶體量能器。在論證階段,吳季曾問過常進,為什麼用BGO晶體——「太重了,很燒錢」,如果用其他的,整個衛星可能會輕一點。

常進回答得很乾脆,用,一定要用。

他告訴吳季,在中科院矽酸鹽所,有一個技術工人,可以造出世界上最長的BGO晶體,如此一來,就可以大大提高探測效率,「將年化為月,將月化為周,如此,就可能趕在外國人之前發現暗物質」。

這一點,暗物質衛星工程總設計師艾長春頗有體會。

在接觸悟空號之前,艾長春主要從事應用衛星的研製,對比兩者,他發現,悟空號這樣的科學衛星,從事的是空間科學研究,屬基礎科學研究範疇,其產出就是科學發現,而科學發現「只有第一,沒有第二!」

在接受中國青年報·中青在線記者採訪時,他反覆念叨一個詞:「機會」。「機會很重要,很關鍵,很難得!大家都在做同一件事,你把握不住機會,沒有在第一時間得到世界認可的科學發現,那麼你過去所有的努力基本上都是沒有意義的」。

艾長春說,就我國而言,科學衛星的發展,雖然已有了較好的大環境,但畢竟「機會」不多,「如果失敗,再來一次可就不容易了」。

2016年3月,悟空號飛天不到3個月,中科院國家空間科學中心即組織專家對衛星進行在軌測試總結評審,當時給出的指標評定為「100分」。如今,悟空號在軌將近兩年,常進說,「所有探測器性能和剛發射時一樣,依然是100分的狀態!」

未來:或有下一顆悟空號誕生

或許,外行人很難想像,悟空號的視力究竟要多強,才能稱得上「火眼金睛」?

常進說,悟空號可以對5 GeV到10 TeV之間的電子、伽馬射線實現「經濟適用型」觀測。

這是什麼概念?1 GeV是10億電子伏特,1 TeV是1000GeV,即1萬億電子伏特。拿人眼來做類比,後者所能接收到最敏感的可見光能量,僅僅為2電子伏特——10000000000000∶2。

常進說,悟空號平均每秒就能「捕捉」60個高能粒子,相當於平均每天500萬個高能粒子。如此取到的「真經」,用人們所熟悉的數據量來計算,每天就有16 GB。

儘管截至目前,這些數據還沒能回答人們最關心的那個問題:到底暗物質存不存在。

這就涉及一個深層次的追問,即人類為何要耗費巨資來做這些「可能得不到答案」甚至「一無所獲、風險很大」的研究。

印格致就此講了粒子物理學研究歷史上那個著名的故事——

物理學家羅伯特·威爾遜,是著名的高能物理研究中心費米實驗室的第一位主任,有一次接受美國國會的詢問。一位參議員問他:費米實驗室的研究成果,是否可以用於增強國防?

威爾遜的答案很直接:成果無法用於國防。

這位參議員很不解,繼續追問,威爾遜於是解釋:研究粒子物理,與我們如何看待彼此有關,與人類的尊嚴有關,與我們對於文化的熱愛有關——雖然粒子物理與國防沒有直接關係,但它讓我們更想保護自己的國家!

這樣的問答在印格致看來,已足以證明人類需要盡全力去解答「我們為何在宇宙中存在」這樣宏大的問題——這也是為何我們要投資基礎科學研究。

事實上,自20世紀以來,重大基礎前沿領域的科學發現,已經逐漸由科學家的自由探索,轉為國家資助的、有組織的定向基礎研究。白春禮說,在這種背景下,前沿研究主要依靠兩大設施,一是地面上的大科學裝置,另一個是空間的科學探測儀器。

這些僅靠個人興趣已很難企及,必須依賴政府公益性的投入——這個過程中,那些富有遠見的、敢冒險的投入顯得十分可貴。

2011年1月,中科院啟動實施空間科學先導專項,其總體目標是在「最具優勢和最具重大科學發現潛力」的科學熱點領域,通過自主和國際合作科學衛星計劃,實現科學上的重大創新突破。

悟空號就「誕生」於這個先導專項。

常進告訴記者,未來不排除有下一顆悟空號面世的可能——這一切還要看當下這顆衛星「後半生」的表現。他說,第二批成果預計明年年底出爐。

當然,探索過程中也並非沒有意想之外的收穫。

印格致說,高能粒子物理研究中產生的技術,就改變了我們操縱世界的方式。比如,所謂網際網路概念,正是源於粒子物理學家對於快速便利共享信息的需求,如今這項技術幾乎是每個人都離不開的。

中國青年報·中青在線記者 邱晨輝來源:中國青年報( 2017年12月04日 12 版)


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