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悟空号取经记
530天：中国科学家逐渐走到舞台
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1TeV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16GB.
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.
（摘自《中国青年报》邱晨辉）
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