原標題:" 悟空 " 發現疑似暗物質蹤跡中國探問宇宙之謎邁出重要一步
暗物質,一個人類追尋多年的宇宙魅影,最近被中國 " 悟空 " 發現瞭疑似蹤跡。
國際權威學術期刊《自然》於北京時間 30 日在線發佈,暗物質粒子探測衛星 " 悟空 " 在太空中測量到電子宇宙射線的一處異常波動。這一神秘訊號首次為人類所觀測,意味著中國科學傢取得瞭一項開創性發現。
11 月 27 日,暗物質粒子探測衛星 " 悟空 " 首批科學成果新聞發佈會在中國科學院舉行。新華社記者 金立旺 攝
" ‘悟空’的最新發現,是引領性原創成果重大突破。" 中科院院長白春禮說,如果後續研究證實這一發現與暗物質相關,將是一項具有劃時代意義的科學成果,即便與暗物質無關,也可能帶來對現有科學理論的突破。
探問宇宙之謎的火炬,傳承到新時代的中國人手中。從 " 東方紅一號 " 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。
搭載暗物質粒子探測衛星的長征二號丁運載火箭升空(2015 年 12 月 17 日攝)。新華社記者 金立旺 攝
打開 " 新窗口 ":疑似暗物質蹤跡初現?
經過兩年持續觀測," 悟空 " 在 1.4 萬億電子伏特(TeV)的超高能譜段," 定位 " 瞭一束明顯異於常態的電子宇宙射線。
" 之前沒有人發現過。"" 悟空 " 首席科學傢、中科院紫金山天文臺副臺長常進解釋,正常的能譜變化應該是一條平滑的曲線,但根據 " 悟空 " 觀測數據,這裡突然出現瞭一處劇烈波動,劃出一個 " 尖峰 ",意味著此處必有 " 古怪 "。
" 現有的物理模型無法解釋‘悟空’的最新發現。"《自然》審稿人、一位國際知名的理論物理學傢這樣評價。
新發現是否就是科學傢苦苦追尋的暗物質蹤跡?中科院理論物理研究所所長吳嶽良說,根據現有數據和理論模型無法做出斷定,但這是 " 暗示瞭暗物質粒子存在的可能的新證據 "。
這是中科院國傢空間科學中心空間科學任務大廳屏幕上顯示的接收到的第一批科學數據(2015 年 12 月 24 日攝)。新華社記者 金立旺 攝
暗物質是什麼?發現暗物質的意義究竟有多重大?
當前主流科學界認為,人類已經發現的物質隻占宇宙總物質量不足 5%,剩餘部分由暗物質和暗能量等構成。由於暗物質無法被直接觀測,與物質相互作用也很弱,人類至今對它知之甚少。
暗物質的 " 真相 " 因此位列 21 世紀最重要的科學謎團之一。揭開暗物質之謎,被認為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學之後,人類認識自然規律的又一次重大飛躍。
面對誘人前景,科學傢在全球展開競爭,試圖第一個找到暗物質的蹤跡。天上,把強磁場設備送進太空;地下,深入幾千米的大山建造實驗室 …… 科學傢使出渾身解數,用上瞭多種探測手段,國際上的相關實驗和設備多達數十個。
在地處四川南部地底 2400 米的中國錦屏地下實驗室,PandaX 實驗組的研究人員對設備進行維護(2016 年 6 月 28 日攝)。新華社記者 薛玉斌 攝
" ‘悟空’用的是探測高能宇宙射線的方式,尋找暗物質粒子湮滅的間接證據。" 常進說,根據理論模型,暗物質湮滅會產生高能伽馬射線、高能電子等宇宙射線,一旦找到特定的高能宇宙射線,有望推斷出暗物質的 " 廬山真面目 "。
" 悟空 " 得出數據後,研究人員為瞭排除分析方法可能產生的幹擾,將初始數據分別交由 4 個中外團隊獨立分析計算,最後得出一致結論:在 1.4TeV 處確實出現瞭異常現象。
這是近年來科學傢離暗物質最近的一次發現。常進說,如果進一步研究確認與暗物質相關,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,這將是一個超出想象的成就。
" 即便無法證明是暗物質的蹤跡,‘悟空’也為全人類打開瞭觀測宇宙的一扇新窗口。" 常進說。
" 悟空 " 首席科學傢、中科院紫金山天文臺副臺長常進在中國科學院發佈暗物質粒子探測衛星首批科學成果(11 月 27 日攝)。新華社記者 金立旺 攝
宇宙撈 " 針 ":" 悟空 " 有哪些絕技
《自然》期刊中國區科學總監印格致(EdGerstner)對常進的話深以為然。" 科學就是在一個接一個的‘可能’中不斷接近真理," 他說," 對科學傢來說,發現異常未知的那一刻最興奮。"
不過,尋找 " 異常 " 與 " 可能 " 絕非易事。自 2015 年底發射升空," 悟空 " 探測瞭 35 億多個高能宇宙射線,從中總共搜尋出 100 多個異常電子,難度不亞於大海撈針。
" 天上的輻射背景太復雜,需要做出區分。"" 悟空 " 科學應用系統總設計師伍健說,與國際同類探測設備相比," 悟空 " 在 " 高能電子、伽馬射線的能量測量準確度 " 和 " 區分不同種類宇宙射線的本領 " 這兩項關鍵技術指標方面世界領先,尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程中產生的一些非常尖銳的信號。
" 就好比在有上千萬人口的城市裡找到特定的一個人,既要快,又要準。" 常進說。
目前國際上知名的相關研究項目有美國費米衛星,日本量能器型電子望遠鏡,以及著名物理學傢丁肇中主持的阿爾法磁譜儀等。" 悟空 " 科學應用系統副總師范一中說,相比同類設備," 悟空 " 顯著提高瞭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,實現瞭對高能電子、伽馬射線的 " 經濟實用型 " 觀測。
在中國科學院紫金山天文臺," 悟空 " 科學應用系統副總師范一中在介紹研究成果(11 月 2 日攝)。新華社記者 李響 攝
香港大學物理系副教授蘇萌說,關鍵性的 " 拐折 " 由 " 悟空 " 首次測量出來,說明中國的暗物質衛星測量水平具有非常獨到的優勢。
" 悟空 " 研究團隊也坦承,目前數據統計量還不夠,存在一定的統計誤差。" 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。" 常進說,要降低統計誤差,唯一辦法是積累大量數據,這需要更多時間。
好消息是," 悟空 " 在軌運行狀況很好,預計衛星在天工作時間會大大超過設計壽命。" 悟空 " 研究團隊透露,今後兩三年是衛星數據分析的關鍵時期,收集到目標事例越來越多,繪制的能譜越來越精確,還將有系列重大成果發佈。
在中國科學院紫金山天文臺," 悟空 " 首席科學傢、中科院紫金山天文臺副臺長常進在介紹暗物質粒子探測衛星的科學成果(11 月 2 日攝)。 新華社記者 金立旺 攝
探索 " 無人區 ":中國瞄準人類科學前沿
不久前,伍健到歐洲的合作夥伴總部訪問,會議室陳列瞭三個科學實驗裝置的標志,按時間順序分別是費米衛星、阿爾法磁譜儀和 " 悟空 "。" 這是他們從數十個合作項目中選出的、有代表性的實驗,在相關領域最有希望取得成就。" 伍健說。
" 悟空 " 對暗物質的探尋,已經逐漸進入科學的 " 無人區 "。但在 " 無人區 " 做一個 " 領跑者 ",不是件容易的事。原創思想、技術實力,這些年來 " 悟空 " 研究團隊沒少被質疑。
上世紀 90 年代末,由於資金短缺,常進加入美國一個高能宇宙射線研究項目。起初,他的觀測方法得不到美方同行的認同,經過反復模擬和實驗驗證,美方的南極氣球項目終於采納瞭他的方法,並在高能電子觀測方面取得重要進展。
" 悟空 " 首席科學傢常進在中科院國傢空間科學中心空間科學任務大廳介紹衛星工作情況(2015 年 12 月 24 日攝)。新華社記者 金立旺 攝
時隔多年,美國團隊中一位教授在國際學術會議上提到此事,還連連感慨:" 中國的常教授當年給我們帶來一個瘋狂的想法,結果一舉成功!"
" 悟空 " 用的一個探測器關鍵芯片需要進口,但當時國外對中國禁運這類芯片。" 悟空 " 研究團隊從零開始,研究芯片、改裝芯片,最終用自己的技術解決瞭這一問題。
" 整天跟著別人屁股後面搞研究,談何自主創新?" 常進說," 中國的科研人員一定要有自信,外國的技術路線不見得比我們強,關鍵在於我們找到瞭正確方法後自己能否守得住。"
站在科學的最前沿,也讓中國科學傢贏得更多榮譽。" 我們主導的研究發現,就能把自己的名字署在上面。" 范一中說。
在中國科學院紫金山天文臺," 悟空 " 科學應用系統副總師范一中在介紹研究成果(11 月 2 日攝)。新華社記者 金立旺 攝
從衛星設計、測試起,以常進為首的 " 悟空 " 研究團隊不斷吸引國內外科研人員加入,目前已經形成瞭來自中國、瑞士、意大利等國,人數超過 100 名的多學科頂尖人才團隊。
從深海載人技術到量子保密通信,從 " 天眼 " 到 " 悟空 ",中國對科學和技術 " 無人區 " 的探索日漸成為常態。" 聚沙成塔,國傢實力不斷增強,對基礎研究不斷重視,讓以前不可能的事情成為現實,也讓科學傢有機會實現更偉大的夢想。" 常進說。
新華社記者 陳芳、董瑞豐、蔡玉高、蔣芳