新华日报
2019年03月15日
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第14版:人文周刊·百家

寻找暗物质,我们派“悟空”上天

常 进

名家档案: 常进,紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家

交汇点公开课

没有暗物质,太阳会飞出银河系“流浪”

人类能感知的只有这个世界的很小部分,比如我们能看见五颜六色,但是看不见红外线、紫外线、X射线。不知道的东西不代表不存在,暗物质和暗能量就是人类看不见的“黑”。

1938年,瑞士天文学家弗里茨·兹威基在加州理工大学观测星系团时发现星系围绕中心旋转时速度太快,需要一种我们无法观测的“暗物质”提供额外的引力,才能将星系团束缚在一起。上世纪60年代,美国女天文学家薇拉·鲁宾观测漩涡星系时发现远离星系中心的恒星运行速度没有下降,根据万有引力的定律,这些恒星早就该被“甩飞”,现在它们被一种额外的引力“拽”住了,这种引力的来源就是暗物质。

我们所在的银河系同样如此。太阳围绕银河系中心旋转的速度是每秒240公里,但是根据银河系恒星或者说发光物质的分布,这个速度理论上应该是每秒160公里,实际速度比理论速度高出50%。以前天文学家测算银河系大约有一千亿个发光天体,但最新的测算结果是1万亿个,反过来推算,发光物质只占银河系的10%,还有90%的质量不发光。如果没有它们,位于银河系边缘的太阳早就带着我们一起飞出银河系,上演“流浪太阳”的戏码了。

综合各种天文观测结果,在宇宙中人类能观测到的物质只占总质量的5%,还有27%的暗物质,68%的暗能量。什么又是暗能量呢?简单地说,宇宙像吹气球一样一直在膨胀,这就需要往里面注入能量,而什么能量让宇宙这个气球膨胀?我们同样不知道,因此将之称为暗能量。

寻找暗物质对人类会有什么影响?目前还说不清楚,但有两个例子说明科学研究的意义。

100多年前迈克尔逊—莫雷实验证明光速恒定,没有“绝对静止空间”,催生了爱因斯坦的狭义相对论,进而产生广义相对论;19世纪末的黑体辐射实验是关于物体辐射、吸收、反射电磁波的,其结果在当时也无法解释,却催生了量子力学。相对论和量子力学把人类从电灯电话的时代推进到今天的信息时代,没有量子力学就没有半导体,也就没有信息产业,如果没有量子力学和相对论,美国的GDP只有今天的0.1%。

500公里高空,“悟空”睁开“火眼金睛”

前面所说的两个实验,曾被认为是物理学上空的两朵乌云,人们原本以为把它们解释清楚了就能解释宇宙。而今天,暗物质和暗能量成为物理学上空两朵新的乌云,弄清楚它们可能会带来相对论和量子力学那样的革命性突破。

拿暗物质来说,它诞生于宇宙大爆炸,寿命长、质量大、不带电不发光,没磁力却有引力,那么我们怎么观测它?目前有三种方法,第一种是在实验室模拟宇宙大爆炸,产生暗物质粒子,但是加速器目前并没有新发现;第二种是直接探测,探测暗物质粒子与普通原子核碰撞后产生的微弱信号,为了屏蔽地球表面各种粒子的干扰,实验室都建在地下,如中国锦屏山就是全世界最深的地下实验室;还有一种就是紫金山天文台采用的,到太空探测。根据现在的模型,暗物质粒子碰撞后会产生单能的高能粒子和伽马射线,这些信号特征明显,与普通物理过程完全不同,是暗物质粒子产生的强烈证据。

10多年前,我们就向中国科学院申请,用一个新的探测器来探测暗物质粒子,这个方案最终得到中央批准,暗物质卫星“悟空”就是这样诞生的。

“悟空”上有多种探测器,比如硅径迹探测器,带电粒子穿过时,可以测量它们的位置和角度;比如量能器,由60厘米长的单根晶体组成,看起来像玻璃,但和铁棒一样重,高能粒子穿过它时会发光,可以由此测量高能粒子的能量;还有中子探测器,可以鉴定粒子,这个鉴定难度有多大呢,寻找伽马射线相当于在南京市800万人里找到8个人,一个都不能错。另外,科学家不知道暗物质粒子有多大,所以探测器的动态范围达到100万倍,这就相当于做了一张网,这张网既能捞小虾米,也能捞大鲸鱼。

“悟空”制作完成后,我们把它送到瑞士,用大型强子对撞机模拟高能粒子能量,试验表明“悟空”具有世界上最高的观测能段、最强的本底抑制水平和最好的探测器。2015年12月17日,造价8亿元人民币的“悟空”在酒泉发射升空,在距离地球500公里的高度用它的“火眼金睛”去发现暗物质的蛛丝马迹。

世界最强,要发现300颗“异样”粒子

“悟空”是太阳同步卫星,这意味着它永远用一个侧面对着太阳,能量来源稳定,设备的温度也比较稳定。它一天绕地球旋转15圈,每秒钟大概能观察到50个高能粒子,每天收集500个高能粒子。现在全世界拥有暗物质卫星的只有中国、日本和美国三个国家。从测量精度来说,“悟空”的精度是日本的2倍,而丁肇中先生主持的AMS02卫星造价高达20亿美元,但是在高能频谱阶段就测不准了,因此可以说,“悟空”是目前精度最高的暗物质卫星,在中科院组织的评审中,“悟空”获得了满分100分。

寻找暗物质只是“悟空”的任务之一,它还要研究宇宙射线的起源,以及伽马射线。它的首批成果包括探测完成世界上第三张伽马天图,发现活动星系核和脉冲星,我们还获得了全世界最高精度的电子宇宙射线能谱,这个发现被评为2017年度世界十大科技进展,丁肇中先生看了我们发表的文章后,认为我们测量得很准。

到现在为止,“悟空”大概收集了将近60亿个高能粒子,从中发现一些“异样”的粒子。不过,现在就说我们发现了暗物质为时尚早,我们希望到今年底,发现的“异样”粒子达到300个,这样就可以为理论家们提供足够的数据样本。“悟空”上天3年多,性能一直很稳定,美国的暗物质卫星上天3个月后就出现故障,不能正常工作。日本的卫星据称性能和“悟空”一样,但测量数据比我们差很多,显然探测器在天上发生了问题。而“悟空”因为“身体好”,已经开始超期服役,我们希望它越迟“退休”越好。

“悟空”也是人类首次在TeV(注:eV是电子伏特的英文缩写,是一种度量微观电子能量的单位)以上波段观察宇宙,它是目前世界上最强的暗物质粒子探测卫星,《自然》杂志称,“悟空”号开启中国空间科学新时代。《科学》杂志称“悟空”测量到了诱人的信号,表明中国空间科学的崛起。国际空间科学大会将其成果列为“特选最新成果报告”。它实现了中国的天文卫星零的突破,开启了我国空间科学新时代,如果它在暗物质研究方面取得新突破,就能再打开人类观察宇宙的一扇窗。

(本报记者王宏伟编辑整理自常进2019年3月8日在南京“文化名家进铁心”交汇点公开课的演讲)

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