為什么要尋找暗物質

吳晶晶+喻菲+楊維漢

當我們仰望星空，其實只看到了宇宙的冰山一角。科學家將宇宙比喻成一個由三部分組成的大餅：5%的普通物質，27%的暗物質和68%的暗能量。人類所熟悉的普通物質，只是零星散布的些許點綴，就像夜幕中無邊大海上的一點閃光，宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏和最難了解的。

2015年12月17日清晨，數百位科學家、工程師、學生冒著零下15攝氏度的嚴寒來到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射現(xiàn)場觀看，他們搓著手、跺著腳，興奮地等待著這一時刻。8時12分，在觀眾的屏息凝視下，長二丁火箭帶著1.9噸重的中國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”徐徐升上天空，大地震顫?；鸺驏|南方向的天空越飛越遠，最后化作天上的一顆星逐漸消失在視野中。

10多分鐘后，“悟空”成功抵達在地球上空500公里高的太陽同步軌道，它將用“火眼金睛”幫助科學家窺探披著“隱身衣”的暗物質，回答現(xiàn)代物理學界最長時間沒有找到答案的深奧之謎。中國科學院國家空間科學中心將暗物質粒子探測衛(wèi)星命名為“悟空”，取義“領悟、探索太空”?？茖W家們期待該衛(wèi)星能在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心“勇敢飛天”?！斑@是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡，”暗物質衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現(xiàn)空間科學重大突破。”

“悟空”是中國古典名著《西游記》的主角，其形象家喻戶曉，“美猴王”（Monkey King）之稱也在海內外廣為流傳。當日有網友在暗物質粒子探測衛(wèi)星的官方微博留言稱：“大圣，這一路孤獨無所伴，愿你和千萬年前的那無所畏懼的猴子一樣所向披靡。”

為什么要尋找暗物質？

暗物質，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學家僅知道它們存在，卻無法探測到它們。對常進來說，暗物質就像一個從未謀面的朋友，既親切又陌生。

“宇宙中，我們能看見的物質，都因為帶有電子而能‘發(fā)光，我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。而暗物質是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走?！背＿M說，“因此盡管我們周圍存在暗物質，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子，但我們并不能看到或感覺到?！?/p>

科學家們認為，暗物質是宇宙大爆炸的產物，在宇宙演化中起著決定性作用，也決定著宇宙未來的命運。同時，暗物質和暗能量的研究在基礎物理學中也有著重要意義，因為科學界公認的粒子物理標準模型僅能解釋占宇宙5%的普通物質，卻無法解釋暗物質和暗能量。

因此，暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵”烏云”。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題，“什么是暗物質”被列在第—位。

科學界公認，揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大飛躍，將帶來物理學的又一次革命。

中科院國家空間科學中心主任吳季說，暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域，全世界的科學家都在不遺余力地尋找暗物質、暗能量及其隱藏的巨大科學寶藏。

暗物質距離人類生活如此遙遠，為什么還要花這么多時間、精力和成本去尋找？科學家們回答，這一方面源自人類對于未知的好奇心和求知欲；另一方面，科學研究的價值和意義雖然有時在短期內無法顯現(xiàn)，但往往能帶來一些“副產品”，給科技和生活帶來變革。

“悟空”怎樣施展“神通”？

暗物質衛(wèi)星“悟空”的長寬高只有1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。

“它體積雖小，功能卻非常強大?！背＿M介紹，衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（CERN）進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標，表明它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強三大優(yōu)勢。

衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師李華旺介紹，衛(wèi)星由4個科學探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，共同構成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起，就像一個四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

進入太空后，“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式：在頭兩年采用巡天觀測模式，由于暗物質可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對全天掃描；兩年后衛(wèi)星轉入定向觀測模式，根據全天區(qū)探測的結果分析出暗物質最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對這些區(qū)域開展定向觀測。

衛(wèi)星每天將傳回約16G數據量，地面100余人的科學家團隊將對數據展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年后發(fā)布。

在太空創(chuàng)造中國的第一次

自暗物質被發(fā)現(xiàn)80多年來，科學家還從未探測到暗物質的明確信號。常進坦言，如果期望暗物質衛(wèi)星一下就能準確找到暗物質，這個期望指數太高了。暗物質的基本物理性質還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證找到暗物質。

“但只要衛(wèi)星工作正常，就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口，必然會發(fā)現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象?！背＿M說，“衛(wèi)星除了尋找暗物質外，還是一個宇宙射線望遠鏡，可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發(fā)現(xiàn)了將近100年，但那么高能量的宇宙射線究竟來自于什么？人類到現(xiàn)在也沒有弄清楚，這很奇怪。”

常進說，尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力，何時能發(fā)現(xiàn)暗物質尚難以預計。至于發(fā)現(xiàn)暗物質后能如何利用，常進介紹，量子物理剛發(fā)現(xiàn)時，人們認為一點用處都沒有，但是現(xiàn)在什么都與量子物理有關系。

“我們只有弄清暗物質的物理本質以后，才能說它對未來產生什么作用，但是物理的進步會導致科技的進步，這是百分之百肯定的?！彼f。

暗物質衛(wèi)星工程總師艾長春說，以前中國科學家只能將研制的儀器搭載在其他衛(wèi)星上開展空間科學研究，發(fā)射 “悟空”，是第一次由中國科學家主導的大型空間科學實驗。

有專家稱，中國第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射已有45年，但中國的空間科學衛(wèi)星還未成系列?，F(xiàn)在中國已成為航天大國，要向航天強國轉變，就不能沒有空間科學衛(wèi)星。

目前中國基礎研究投入占總研發(fā)投入比重僅為5%左右，而美國、德國分別為40%、28%。常進說：“以前我們和國際上差太多了，人家跟我們都不討論。今天在某些領域，我們和國際同行平起平坐。只要大家埋頭干，中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破?！?/p>

（摘自《人民周刊》）