见,所未见
——中国“悟空”探索暗物质世纪谜题

  

  “寻找暗物质两年‘悟空’来信:‘俺老孙可能捉到妖了’”

  “领跑太空暗物质探测,‘悟空’贡献中国智慧”

  “‘悟空号’公布惊人发现:人类‘看见’疑似暗物质幽灵!”

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“悟空”项目团队科研人员

  北京时间2017年11月30日,著名科学期刊《自然》(Nature)杂志刊登了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)团队历时近两年获得的首批成果——成功获取国际上精度最高的电子宇宙射线能谱,并且在电子宇宙射线能谱1TeV(1万亿电子伏特)处首次直接探测到拐折,其来源可能是暗物质。一时间,暗物质探测卫星“悟空”迅速登上各大媒体头条,刷屏“朋友圈”。

2017年11月,“悟空”探测成果在线发表在《自然》杂志上。

  “我们想通过‘悟空’的火眼金睛,找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’”

  暗物质,一个人类追寻多年的宇宙魅影。当前主流科学界认为,人类已经发现的普通物质(也就是标准粒子物理模型能解释的物质)只占宇宙总物质量5%,剩余部分由27%的暗物质、68%的暗能量构成。

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进介绍说,暗物质是天文学家为了解释宇宙中引力质量远大于发光物质质量的疑难,而引入的一类新物质。它不发射、吸收、散射光子,也不参与电磁作用,既无法被直接观测,与物质相互作用也很弱。

  “你知道它就在那里,但不知道它是什么,也正因为它神秘又非常重要,暗物质与暗能量一起被称为‘21世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云’?!背=?。

  揭开暗物质之谜,被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

  这个科学前沿,中国不能缺席。

2015年12月17日,长征二号丁运载火箭从酒泉卫星发射中心将“悟空”送入太空。

  2015年12月17日,我国暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射基地成功发射升空,它用“火眼金睛”帮助科学家寻找披着“隐身衣”的神秘暗物质。

  “我们想通过‘悟空’的火眼金睛,找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’?!背=樯芩?,虽然暗物质“看不见”“测不着”,但暗物质粒子相互湮灭或者自身衰变,可以产生一些稳定的可观测粒子,如伽马射线、宇宙射线、中微子等?!拔蚩铡钡纳杓圃?,就是要在太空中高精度测量伽马射线、宇宙射线的能谱以及空间分布,来寻找暗物质粒子存在的证据。这也是目前国际上探测暗物质粒子的主要途径之一。

  “悟空”采用了紫金山天文台自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能(5GeV—10TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测?!拔蚩铡痹诠煸诵械那?30天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV(1GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线?;谡庑┦?,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

  早在“悟空”上天之前,国际上已有一些空间探测器在尝试搜寻暗物质。但由于探测器规?;蛏杓品桨傅南拗?,它们的探测能区相对较低,分辨率和粒子鉴别本领也有限。而“悟空”采用了创新的设计方案,既可探测低能区,也能探测高能区,是世界上第一台能在空间观测直至10TeV能量电子和伽马射线的仪器。同时,“悟空”的研制费用仅为其同类的美国费米卫星(Fermi)的1/7,国际空间站阿尔法磁谱仪2号(AMS02)的1/20。

相比于国际上同类探测器美国费米卫星(左)、阿尔法磁谱仪2号(右),“悟空”(中)观测能段范围最宽、分辨率最高、能谱结构特征也最为清楚。

  “说‘悟空’是‘火眼金睛’一点也不为过?!背=院赖厮?,“悟空”在同类设备中拥有工作能段最高、能量分辨率最高、粒子鉴别本领最强3项“绝技”。它的鉴别本领就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人,既要快,又要准。

  目前,“悟空”采集了大量高能电子宇宙射线,清晰勾勒了电子宇宙射线在宽能量段的能谱行为,以高置信度观测到了能谱在TeV处的拐折行为,并且在1.4TeV能量处发现存在精细结构的迹象。

根据“悟空”积累的观测数据,科研人员发现在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段突然出现剧烈波动,反映在图上是一个“尖峰”。

  中科院紫金山天文台研究员范一中说:“电子能谱在高能区突然出现拐折,一定是有什么‘源’影响了它。现在我们不能确定就是暗物质影响了它,但如果能够证明影响它的不是我们已知的物质,那就很有可能是暗物质了?!?/font>

  这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。这一波动此前从未被人类观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现。常进说,如果进一步研究确认与暗物质相关,人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。

  “即便无法证明是暗物质的踪迹,‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口?!背=?。中科院院长白春礼则认为,“悟空”取得的成果,表明中国科学家已经从自然科学前沿理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央,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回报。

  “悟空”背后的“师傅”们:平均年龄只有37岁,脚踏实地追逐梦想

  一个“悟空”在天上飞,一个团队在地上追。

  “我们有监控人员,相当于‘队医’,每天给卫星体检,监测运转情况;有数据处理人员,经过科学分析程序,记录有用粒子的各种信息;还有科学分析人员,要分析解释‘悟空’收集到的数据意味着什么。整个团队科研人员各司其职,互相配合?!背=蛭颐墙樯?,目前“悟空”项目团队成员30余人,大部分都是80后,平均年龄只有37岁。

“悟空”项目团队部分成员合影。整个团队30余人,大多为80后,平均年龄37岁。

  突破性成果的取得绝非易事。从上世纪80年代初,因国力不强、技术基础薄弱,计划中的天文卫星中途下马,到“借船出?!奔尤牍飧吣苡钪嫔湎哐芯肯钅?,再到发射自己的暗物质探测卫星,独立开展领先世界的研究,中国暗物质探测研究走过了艰辛而不平凡的逐梦历程。

  “只要坚持,梦想总是会实现的?!背=S谜饩浠坝胪哦映稍惫裁?。他把自己定义为一个“现实的理想主义者”:要有理想,但更要脚踏实地地干。

  一组组画面,生动记录了“悟空”项目团队的勇气、拼劲和智慧。

“悟空”项目团队科研人员在工作

  当时“悟空”卫星的一个重要挑战就是要提高观测能力,扩大单个探测器的动态范围至100万倍?!罢庖馕蹲攀裁??打个比方,如果把‘悟空’当成人的眼睛,去看一个篮球运动员,就是要既能看到这个人2微米的血小板,又能看见他2米高的身高,这个范围之内的事物都看得清清楚楚?!背=臀颐墙馐?。

  为了解决这个问题,常进带领他的团队整整花了10年时间,在其他专家的帮助下,研究比较了30种方案,最终拿出了目前运用在“悟空”上的最优方案,获得了空前成功。

“悟空”内部复杂的线路

  “撸起袖子加油干,天上不会掉馅饼?!被厥坠?0余年的历程,常进非常认同这句话?!拔蚩铡狈⑸涠潭塘侥昃腿〉昧酥匾黄菩猿晒?,看似“馅饼”的背后,是科研人员付出的大量心血和汗水。

  “做人不能吹毛求疵,但干航天一定要吹毛求疵?!背=?,他出生在江苏泰兴一个普通农民家庭,父亲在世时一年大概能挣两三万元,而一颗卫星造价则是7亿元?!翱占涫匝槊挥腥魏胃恼砦蟮幕?,一个很小的错误都可能造成卫星失败,几百人多年的努力就白费了,所以我们每个人必须对得起国家的这份信任与支持,对得起团队多年的努力,小心翼翼、踏踏实实做好自己的每一件事?!?/font>

  “我们很多人常常都是赶公交、地铁的末班车回家。碰到难关,常老师就带着我们通宵达旦攻坚处理问题?!?016年从美国留学回国加入“悟空”项目的团队成员袁强深有感触地说,工作一年多来,充分感受到整个团队是一个很有责任感、充满战斗力的团队,大家心往一处想、劲往一处使,每个人都非常自觉,做好各自的工作。

  一点一滴的工作,日积月累的进步,终于获得了回报和收获,“悟空”项目团队赢得了世界范围内的掌声和尊重。

  习近平总书记在2016年、2017年新年贺词中均为“悟空”点赞。2017年10月,党的十九大报告再次点名“悟空”,并提出,“要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破”。中国首颗天文卫星“悟空”正是中国科学家瞄准暗物质探测这一世界科学前沿所研发出的创新型太空探测“利器”,充分展现了中国科研人员的自信,为世界科技发展贡献了中国智慧。

暗物质卫星“悟空”号首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进

  说到当前新时代中国科技发展日新月异的变化,常进充满自豪和自信,他坚信中国一定能成为科学强国,迈入世界科学发展的前沿阵地?!爸泄蒲腥嗽币欢ㄒ凶孕?,我们已经逐渐走到世界科学发展的主席台中央了?!背=?,整天跟着别人屁股后面搞研究,谈何自主创新?外国技术路线不见得比我们强,关键在于我们找到了正确方法后自己能否守得住。

  自信后面更是一份沉甸甸的责任。

  “现在是搞科学研究最好的时代,如果现在这个时代还没干出点东西来,那就有愧于党和国家的信任?!碧讣拔蠢?,常进说:“就是脚踏实地地干,一步一个脚印地干?!保ㄖ醒爰臀嗖觳客?兰琳宗丨供图:中科院紫金山天文台)

视频
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微课堂

  

悟空内部结构示意图

【它有多大】长、宽、高分别1.5米、1.5米、1.2米,比一张办公桌大不了多少。

【它有多重】卫星整体质量1.85吨,有效载荷质量1.4吨。

【它的轨道高度是多少】500公里。

【它在太空怎么工作】通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。

【它有何独到之处】它是迄今为止观测能谱段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,领先国际上同类探测器。

小知识:如何探测暗物质?

【加速器探测实验】在地面加速器上通过加速粒子到极高能段并互相碰撞,打出新粒子,将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性。

【地下直接探测实验】直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小,产生的信号也很“微弱”。为了降低本底(没有进样时检测器的信号值),通常需要把探测器放置在很深的地下。

【空间间接探测实验】间接法观测暗物质粒子在宇宙空间发生湮灭或衰变之后产生的稳定粒子如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,以此发现并研究暗物质粒子留下的蛛丝马迹?!拔蚩铡奔床捎谜庵址椒?。