530天：中国科学家逐渐走到暗物质研究舞台*

将悟空卫星运行530天后获得的高精度宇宙射线电子谱(红色数据点)与丁肇中先生领导的费米卫星(蓝色点)和阿尔法磁谱仪(绿色点)的测量结果进行比较。

悟空卫星示意图。中国绘画科学院

著名科幻作家艾萨克·阿西莫夫曾经说过，在科学探索中最令人兴奋的事情不是“我发现了尤里卡”，而是“嗯...这很奇怪！”就在最重要的新发现出现之前，这句话。

这似乎是悟空取经的方式。

到目前为止，人类，包括科学家，还不知道悟空带回的第一个结果代表什么。我们唯一知道的是，这些结果是“意想不到的”，而且“人类以前从未见过”。在中国自然科学研究部主任英治看来，这意味着“他们有潜力改变我们看待宇宙的方式！”

两年前的同一个冬天，作为中国第一颗暗物质粒子探测卫星，悟空成功地飞了起来，走上了“从经验中学习”的道路。现在科学家已经公布了它在太空中530天的结果。根据其3年的设计寿命，悟空飞船已经完成了一半以上的太空旅程。悟空没有多少时间了，人类的步伐可能需要加快。

530天:中国科学家逐渐走向舞台*

许多年前，当天文学家发现“恒星绕着银河系中心旋转得太快”时，他们不得不设想在银河系中除了可见的物质之外，可能还有其他不可见的物质，它们的组合重力会吸引这些恒星，这样它们就不会因为速度太高而飞离银河系。

人类的计算表明，这些“不可见物质”的总量远远超过“可见物质”。因此，前者暂时被称为暗物质。

用中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学卫星项目执行副主任吴季的话来说，暗物质被称为“黑暗”，因为人类对此知之甚少，这是一种比我们肉眼所能看到的多四倍的神秘物质。目前，只能通过重力来计算。

因此，揭开暗物质之谜被认为是继日心说、万有引力定律、相对论和量子力学之后基础科学领域的又一次重大飞跃——其重要性和难度显而易见。

目前，人类“捕捉”暗物质的方式主要有三种，可以形象地称之为“天、地、对撞机”。其中，“天堂”是一种间接探测方法，即“捕捉”暗物质相互湮灭时产生的痕迹。

中国科学院紫金山天文台副台长、暗物质卫星首席科学家常进说，虽然暗物质不发光，也不与光相互作用，普通光学观测也无法发现，但当一对暗物质粒子意外碰撞时，它们将同时湮灭，可能释放出质子、电子及其反粒子、中微子和伽马射线。

换句话说，如果这些粒子的能谱能被精确测量，就有可能找到暗物质的踪迹。

目前，《天堂》中有三个著名的暗物质猎人。一个是安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪2，另一个是美国宇航局的费米太空望远镜，另一个是中国的悟空。相比之下，悟空是迄今为止观测范围最广、能量分辨率最高的暗物质粒子探测卫星，超过了世界上所有类似的探测器。

现在，公布的数据结果也再次证实了这一点:悟空已经实现了世界上最准确、最高效的探测。相应地，悟空为人类观察宇宙打开了新的窗口，为人类判断暗物质是否存在提供了“关键数据”。

11月27日，当中国科学院发布这些成果时，成功地吸引了10多家外国媒体前来访问——这是中国科学院有史以来首次发布学术成果，在整个中国学术界也是非常罕见的。

那天，在众多媒体和闪光灯的包围下，中科院院长白院士丝毫没有掩饰此刻的激动和激动。他说:“今天是非常重要的一天。也许在人类科学发展的历史上，每个人都会记得今天。”

“因为中国科学家已经逐渐从自然科学前沿的主要发现和理论的学习者、继承者和旁观者变成了舞台的中心。中国科学院和中国科学家在基础科学前沿的长期投资和贡献终于取得了突破。”白春礼说道。

当然，悟空飞船在它的前半生所取得的突破可能还需要人类“消化”一段时间——28亿条高能宇宙射线，152.5万条能量在25千电子伏以上的电子宇宙射线，这是世界上最精确的电子能谱，也是人类第一次直接“看到”1千电子伏电子宇宙射线能谱的“纽结”，等等。——国际天文物理学界已经“炸开了锅”,日夜计算分析。

12年:“更大的探测器”从零开始

从某种意义上说，这530天就像是一场惊心动魄的“狩猎”行动，但在悟空进入太空狩猎场之前，这是一场漫长的等待和验证。

所有这些必须从多年前进行的气球实验开始。

这是中国和美国的联合实验。它位于南极。在当时的实验中，常进使用的探测器已经能够测量很高的能量。他发现了一个奇怪的现象:有一个能量段，每个人都认为它的计数率应该“下降”,但测量结果显示“超过”,也就是说，它不是下降，而是上升。

一块石头激起千层浪。科学家们反复讨论:暗物质隐藏在这一奇怪现象的背后吗？

不幸的是，张进当时得到的数据太少，而且他的信心水平不高，所以他“不能完全确定”

2005年，吴吉来到常进的办公室，这是两人第一次见面。常进给吴吉讲了这个故事，并给他看了“奇怪的曲线”。

吴吉还记得当时常进“非常兴奋”。“他说，如果他能制造一个更大的探测器并把它放在卫星上，他一定能确定这个奇怪的东西是否是暗物质湮灭产生的高能粒子？”

这一幕发生在12年前。此后，出现了著名的悟空的《炉的故事》。

当然，整个过程并不容易。悟空的核心和最重的部分是一个叫做“BGO”的晶体热量计。在演示阶段，吴吉曾问常进为什么使用BGO水晶“太重，太贵”。如果使用其他晶体，整个卫星可能会更轻。

常晋的回答很简单，用，必须用。

他告诉吴吉，在中国科学院硅酸盐研究所，有一个技术工人可以制造世界上最长的BGO晶体。这样，探测效率可以大大提高，“把一年变成一个月，把一个月变成一个星期，这样暗物质就可以在外国人之前被发现”

暗物质卫星项目的总设计师艾长春对此颇有体会。

在联系悟空之前，艾长春主要从事应用卫星的研发。比较两者，他发现科学卫星如悟空从事空间科学研究，属于基础科学研究范畴。它的产出是科学发现，而科学发现“只是第一个，不是第二个！”

在接受《中国青年报》采访时，他重复了一个词:“机会”。“机会非常重要，非常关键，非常难得！每个人都在做同样的事情，你不能抓住机会，没有科学发现首先被世界认可，那么你过去所有的努力基本上都是没有意义的。”

艾长春表示，就我国而言，科学卫星的发展有一个更好的环境，但毕竟没有太多的“机会”，“如果失败了，再做一次也不容易”。

2016年3月，在悟空飞船升空不到三个月后，中国科学院国家空间科学中心组织专家对该卫星的在轨测试进行了总结审查。当时给出的指数是“100点”。今天，悟空已经在轨道上运行了将近两年。常进说:“所有探测器的性能都和发射时一样，仍然是100分！”

未来:下一个悟空可能诞生

也许外行人很难想象悟空的视力有多强，才能被称为“金眼”？

常进说，悟空可以实现“经济适用”的电子和伽马射线在5吉伏到10吉伏之间的观测。

这是什么概念？1 GeV是10亿电子伏，1 TeV是1000GeV，或1万亿电子伏。以人眼为类比。后者能接收的最灵敏的可见光能量只有2电子伏特-1，000，000，000: 2。

常进说，悟空平均每秒能“捕捉”60个高能粒子，相当于平均每天捕捉500万个高能粒子。按照熟悉的数据量计算，这样得到的“真经”是每天16 GB。

尽管到目前为止，这些数据还没有回答最令人担忧的问题:暗物质是否存在？

这涉及到一个根深蒂固的问题，那就是为什么人类必须花费大量的金钱去做这些“可能得不到答案”甚至“没有，非常危险”的研究。

英格索尔讲述了粒子物理学研究史上的著名故事-

物理学家罗伯特·威尔逊，著名高能物理研究中心费米实验室的首任主任，曾被美国国会质疑。一位参*问他:费米实验室的研究成果能用来加强国防吗？

威尔逊的回答很简单:结果不能用于国防。

参*迷惑不解，继续提问。威尔逊接着解释道:粒子物理学的研究关系到我们如何看待彼此，关系到人类的尊严和我们对文化的热爱——尽管粒子物理学与国防没有直接关系，但它让我们更想保护我们的国家！

在英格看来，这些问题和答案足以证明，人类需要尽最大努力来回答“为什么我们存在于宇宙中”这样的重大问题——这就是为什么我们应该投资于基础科学研究。

事实上，自20世纪以来，主要基础前沿领域的科学发现已经逐渐从科学家的*探索转向国家资助和有组织的有针对性的基础研究。白春礼说，在这种背景下，前沿研究主要依靠两大设施，一是地面科学仪器，二是太空科学探索仪器。

这些不能仅靠个人利益来实现，它们必须依靠*的公共福利投入——在这个过程中，那些有远见和冒险的投入是非常有价值的。

2011年1月，中国科学院启动了空间科学试点项目。其总体目标是通过在“最具优势和最大科学发现潜力”的热门科学领域开展独立和国际合作的科学卫星项目，实现重大科学突破。

悟空就是在这个试点项目中“诞生”的。

常进告诉记者，未来也不排除下一个悟空的可能性——这一切都取决于卫星“后半辈子”的性能他说第二批结果预计将在明年年底公布。

当然，探索过程也不是没有意想不到的收获。

英格说，高能粒子物理学研究中产生的技术已经改变了我们操纵世界的方式。例如，所谓的互联网概念源于粒子物理学家对快速便捷的信息共享的需求。今天，这项技术对几乎每个人都是不可或缺的。

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