我國首顆天文衛星“悟空”發現疑似暗物質蹤跡

原標題：我國首顆天文衛星“悟空”發現疑似暗物質蹤跡

暗物質，一個人類追尋多年的宇宙魅影，最近被中國“悟空”發現了疑似蹤跡。

國際權威學術期刊《自然》于北京時間30日在線發布，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，意味著中國科學家取得了一項開創性發現。

“‘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，如果后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。

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”了一束明顯異于常態的電子宇宙射線。

“之前沒有人發現過。”“悟空”首席科學家、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，這里突然出現了一處劇烈波動，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家這樣評價。

新發現是否就是科學家苦苦追尋的暗物質蹤跡？中科院理論物理研究所所長吳岳良說，根據現有數據和理論模型無法做出斷定，但這是“暗示了暗物質粒子存在的可能的新證據”。

暗物質是什么？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只占宇宙總物質量不足5%，剩余部分由暗物質和暗能量等構成。由于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、量子力學之后，人類認識自然規律的又一次重大飛躍。

面對誘人前景，科學家在全球展開競爭，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……科學家使出渾身解數，用上了多種探測手段，國際上的相關實驗和設備多達數十個。

“‘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”得出數據后，研究人員為了排除分析方法可能產生的干擾，將初始數據分別交由4個中外團隊獨立分析計算，最后得出一致結論：在1.4TeV處確實出現了異常現象。

這是近年來科學家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’也為全人類打開了觀測宇宙的一扇新窗口。”常進說。

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(Ed Gerstner)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，“對科學家來說，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”探測了35億多個高能宇宙射線，從中總共搜尋出100多個異常電子，難度不亞于大海撈針。

“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里找到特定的一個人，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，以及著名物理學家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”顯著提高了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，實現了對高能電子、伽馬射線的“經濟實用型”觀測。

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，今后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布。

探索“無人區”：中國瞄準人類科學前沿

不久前，伍健到歐洲的合作伙伴總部訪問，會議室陳列了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，由于資金短缺，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于采納了他的方法，并在高能電子觀測方面取得重要進展。

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了這一問題。

“整天跟著別人屁股后面搞研究，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，關鍵在于我們找到了正確方法后自己能否守得住。”

站在科學的最前沿，也讓中國科學家贏得更多榮譽。“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。

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，目前已經形成了來自中國、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，國家實力不斷增強，對基礎研究不斷重視，讓以前不可能的事情成為現實，也讓科學家有機會實現更偉大的夢想。”常進說。