——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
語(yǔ)音播報(bào)
常進(jìn)盯著電腦屏幕上一條紅色的曲線,不敢相信自己的眼睛。
一種矛盾又復(fù)雜的心情,在這位暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家心中涌起:這條奇怪的線,究竟是重大發(fā)現(xiàn)的苗頭,還是我們的衛(wèi)星沒(méi)有把數(shù)據(jù)測(cè)準(zhǔn)?
一年后,常進(jìn)懸著的心才放下。2017年11月30日,英國(guó)《自然》雜志在線發(fā)表了暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”獲得的一條世界上最精確的高能電子宇宙射線能譜,人類(lèi)觀察宇宙的窗口再次被拓寬。
走進(jìn)“無(wú)人區(qū)”
根據(jù)人類(lèi)已知的物理規(guī)律,來(lái)自宇宙空間的宇宙射線能譜隨著能量的升高,收集到的電子數(shù)量越來(lái)越少,應(yīng)該是“往下掉”的。不管是美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星,還是丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀,都已經(jīng)畫(huà)出了這條緩緩向下的曲線。
然而,隨著能量的升高,探測(cè)難度越來(lái)越大。受制于能量測(cè)量范圍的限制,在1萬(wàn)億電子伏特以上的能量區(qū)域,人類(lèi)幾乎已經(jīng)無(wú)計(jì)可施。
這片空白的“無(wú)人區(qū)”里究竟有什么?中國(guó)人決定自己造顆衛(wèi)星,看個(gè)究竟。
2015年12月,“悟空”作為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的首發(fā)星發(fā)射升空?!懊篮锿酢钡暮诵氖姑褪菍ふ野滴镔|(zhì)粒子存在的證據(jù),并進(jìn)行天體物理研究。
“悟空”在高能電子、伽馬射線的能量測(cè)量準(zhǔn)確度以及區(qū)分不同種類(lèi)粒子的本領(lǐng)這兩項(xiàng)指標(biāo)上世界領(lǐng)先,尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過(guò)程產(chǎn)生的非常尖銳的能譜信號(hào)。
這是一只真正的“火眼金睛”。用形象的比喻來(lái)說(shuō),“悟空”能同時(shí)看清一個(gè)2米高的籃球運(yùn)動(dòng)員,以及他身體里的每一個(gè)血小板。
利用這只“眼睛”,常進(jìn)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了對(duì)宇宙的搜索。
奇異的“尖尖”
天文觀測(cè)表明,宇宙中的暗物質(zhì)是普通物質(zhì)的5倍,其物理本質(zhì)是國(guó)際粒子物理和天體物理領(lǐng)域的最重大問(wèn)題之一。在較低的能量區(qū)域,“悟空”畫(huà)出的能譜與其他衛(wèi)星基本一致,呈現(xiàn)緩緩下降的趨勢(shì)。這種下降行為,對(duì)判定較低能量區(qū)域的電子宇宙射線是否來(lái)自暗物質(zhì),能起到關(guān)鍵作用。
出人意料的是,當(dāng)能量繼續(xù)升高時(shí),一個(gè)人類(lèi)從未想到的現(xiàn)象出現(xiàn)了。
那條本該繼續(xù)下降的線上,在1.4TeV的地方卻突然出現(xiàn)了一個(gè)突起。這意味著,在這個(gè)能量上,有大量高能電子被“悟空”觀測(cè)到。
由于暗物質(zhì)湮滅或衰變時(shí),就會(huì)產(chǎn)生這樣的高能電子和伽馬射線,中科院院士吳岳良認(rèn)為,這個(gè)奇異的電子能譜,可能暗示了暗物質(zhì)粒子存在的新證據(jù)。
“衛(wèi)星測(cè)到的這個(gè)‘尖尖’混入的‘雜質(zhì)’極少,‘純凈’度很高。”不過(guò)常進(jìn)也坦言,目前的結(jié)果是基于已采集到的530天數(shù)據(jù)得到的,想進(jìn)一步提高可靠性,還得繼續(xù)積累數(shù)據(jù)。
“現(xiàn)在衛(wèi)星運(yùn)行良好,正持續(xù)收集數(shù)據(jù)?!彼f(shuō),“一旦這個(gè)地方的精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證,相信將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)?!?/p>
言下之意,不管這個(gè)“尖尖”是不是暗物質(zhì),它都可能是一個(gè)重要成果。如果它是暗物質(zhì),那“悟空”將撥開(kāi)現(xiàn)代物理學(xué)的一朵“烏云”;如果它不是暗物質(zhì),那它將會(huì)是一種從沒(méi)被人預(yù)測(cè)過(guò)的全新粒子或天文現(xiàn)象,將把人類(lèi)想象力的高度再次刷新。
“人類(lèi)會(huì)記住今天”
“悟空”的功夫并非一天練就。常進(jìn)和他的同事,20年來(lái)一直在探索用最簡(jiǎn)潔和高效的辦法直接獲取能譜數(shù)據(jù)。
2011年1月,中科院?jiǎn)?dòng)實(shí)施了空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng),常進(jìn)的構(gòu)想獲得了重點(diǎn)支持。受益于這顆衛(wèi)星的,不只是科學(xué)家。中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)負(fù)責(zé)人兼科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季回憶,當(dāng)時(shí)對(duì)“悟空”的設(shè)計(jì)曾有兩個(gè)方案,一是將1.4噸的探測(cè)器放在現(xiàn)成的衛(wèi)星平臺(tái)上,但這樣衛(wèi)星總重超過(guò)3噸,必須用更大的火箭發(fā)射,光運(yùn)載費(fèi)就要增加五六千萬(wàn)元。
第二個(gè)方案則是將衛(wèi)星所有服務(wù)設(shè)施都安裝在探測(cè)器周?chē)?,也就是以科學(xué)載荷為中心的衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念?!白詈螅锌圃何⑿⌒l(wèi)星創(chuàng)新研究院僅增加了400公斤就實(shí)現(xiàn)了完整的衛(wèi)星功能,使得載荷與整星的質(zhì)量比達(dá)到了73%?!眳羌菊f(shuō),“這種設(shè)計(jì)在中國(guó)是第一次,在世界上也是少有的?!?/p>
“悟空”的出色表現(xiàn),也讓中科院院長(zhǎng)白春禮感受到堅(jiān)持在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域長(zhǎng)期投入和付出的正確。
“今天是一個(gè)非常重要的日子,也許在人類(lèi)科學(xué)發(fā)展的歷史上,大家會(huì)記住今天?!闭绨状憾Y所說(shuō)的那樣,“中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)從自然科學(xué)前沿重大發(fā)現(xiàn)和理論的學(xué)習(xí)者、繼承者、圍觀者,逐漸走到了舞臺(tái)中央?!?/p>
(原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2017-11-30 1版)
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