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发现暗物质存在关键证据？“悟空”号卫星重磅成果发布

百家作者：DeepTech深科技 2017-11-30 10:20:53

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本文转载自：环球科学ScientificAmerican

微信公号：huanqiukexue

北京时间2017年11月30日，《自然》杂志在线发表了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号（DAMPE）的首批成果。2015年12月17日，肩负着寻找暗物质粒子重任的“悟空”号从酒泉卫星发射中心成功发射。在近两年的在轨运行期间，“悟空”号采集了约28亿例高能宇宙射线，并基于这些数据获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果。持续累积的数据有可能为我们带来暗物质或天体物理领域的重大发现。

通过空间探测器寻找暗物质粒子碰撞后产生的可见粒子，是目前探测暗物质粒子的主要手段之一。如果暗物质湮灭产生正、负电子对，将在电子宇宙射线的能谱上留下异常的特征性谱线。（见下图）根据此前阿尔法磁谱仪、费米卫星等探测器传回的能谱数据，科学家在1TeV（1012电子伏特）以下的能谱中，已经发现了一些异常。如果能够在1TeV以上的区域进一步发现暗物质特有的“截断”，将为部分射线起源于暗物质提供关键的证据。

图 | 电子宇宙射线能谱图。根据理论预测，如果暗物质直接湮灭成正、负电子对，将在1TeV处出现一个非常陡的特征性截断。

但遗憾的是，这已经超出了先前的探测器的探测范围。而“悟空”号的一项重大突破，正是将空间探测器的探测波段提升至1TeV以上，为人类打开全新的观测窗口。经过近两年的观测，“悟空”号首次直接测量到1TeV处的能谱拐折。（见下图）

令“悟空”号团队感到欣喜的，还有一项意料之外的现象：在1.4TeV处，探测器观测到尖锐的能谱结构。研究团队表示，这一现象仍需更多观测数据予以证实，他们期待“悟空”号接下来一年的数据能确证这一结构。一旦得以确认，理论物理学家将对其来源进行进一步分析。研究团队称，该结构隐藏着两类可能的解释：或是为暗物质粒子的存在提供新的证据；或是银河系中存在前所未见的新奇天体（它们可以加速出几乎单能的高能电子）。无论哪一种解释，都将成为引人瞩目的重大突破。

图 | “悟空”号发回的电子宇宙射线能谱数据（红色），以及与此前的美国费米卫星（蓝色）、阿尔法磁谱仪（绿色）测量结果的比较。

在“悟空”号背后，是一支由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心等机构组成的研发团队。而该项目的首席科学家，是紫金山天文台的副台长常进研究员。近20年前，常进在南极放飞了一枚探测高能电子的气球，开启了他对暗物质的搜索之旅。2011年，中国的暗物质空间探测计划在中国科学院的支持下立项，曾辗转数地的常进也终于有机会率领团队，实现了国际上基于TeV电子宇宙射线的最精确、最高效的暗物质探测。

在“悟空”号首批成果即将公布之时，《环球科学》记者采访了该项目首席科学家常进等人，深入讲述“悟空”号及其背后的故事。

图 | 2015年12月17日，“悟空”号在酒泉卫星发射中心发射升空。

科学家总能从怪异现象中找到灵感。上世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）发现，星系团的总质量远大于根据发光度计算的结果，最多可能有99%的质量无法解释。也就是说，星系运动速度太快，仅靠发光物质束缚不住这些星系。兹维基因此推测星系团中存在大量不发光的物质，善于创造新名词的他把这种物质称为暗物质。

这为物理学开创了新的研究领域。从上世纪70年代开始，这种神秘物质就一直处于物理学研究的最前沿。但长期努力未能求得理想结果，科学界只是知道这种物质不仅“看不见”，其特性和标准物理模型中的任何基本粒子也都不相同，是一类全新的物质形态。

很多科学家都希望自己能揭开这种神秘物质的面纱。不过，如果时光倒流20年，常进应该不会想到自己会成为这些科学家中的一个。当时，刚过而立之年的常进提出了一种新的电子宇宙射线探测方法。在随后的南极实验中，正是这种新方法帮助当时的科学界发现了电子宇宙射线数据中的异常，这给暗物质探测带来了希望，常进的事业随之迎来转折。

新的希望虽然妙手偶得，但成功绝非轻而易举，常进的对手数量众多且都实力不俗，包括欧洲大型强子对撞机、锦屏山地下实验室和丁肇中领导的阿尔法磁谱仪都为全球所关注，他们都是暗物质探测领域的核心力量。但当常进主导的“悟空”号暗物质探测卫星在2015年12月顺利升空后，他和他的团队终于进入暗物质间接探测竞赛的前沿。

51岁的常进现在是紫金山天文台的副台长，出生于江苏泰兴的他衣着朴素，步履迅速，总是斗志昂扬。他需要这样的状态，他有太多工作需要完成，还有一个牵涉多个国家的团队需要带领，任何懈怠都可能影响目标的实现。过去几年，他一直在北京、上海、南京和其他几个城市之间穿梭，所有工作的目标都高度一致：寻找暗物质。最近，数据上的突破终于让他少了紧张，多了兴奋，“我们还在按部就班地分析，要确保数据准确。”常进说：“观测数据的确令人振奋，但其意义还需要物理学家、天文学家分析和解读。”

图 | 常进（右）在与团队成员分析、讨论“悟空”号传回的数据

等待二十年

现代科学越来越需要天文数字般的经费，科学家需要用这些钱建造精度更高的设备，聘请最优秀的人才。只有这样，他们才能和全世界最优秀的科学家竞争。但遗憾的是，并不是每个科学家都能获得这种机遇，常进就是如此。事实上，他那一代科学家都是如此。

1992年，常进在中国科学技术大学拿到硕士学位后，来到紫金山天文台，进入这里的空间天文实验室。从经济角度看，那不是属于科学家的黄金时代。当时，中国正在几乎所有经济部门推动大规模的结构性改革，所有机构的经费都在削减，科学领域也不例外。1992年，研发支出和国内生产总值的比例还有0.71%；到了1994年，这个比例竟然降到了0.5%。要不是经济增速尚可，两年时间中出现的如此降幅足够摧毁很多人的科学理想。

“国家没钱，我们就要创新，”常进仔细研究了欧美的科学计划，发现要绕过哈勃望远镜和红外及X射线空间望远镜建立的科研壁垒，研究高能粒子和伽马射线是最好的选择，他决定调整研究方向，“如果继续跟着欧美，我们这一代科学家可能什么成就都没有。我们后来才发现，10 GeV（10亿电子伏特）以上的能段正好是探测暗物质的最佳窗口”。

常进并没有等太久。1998年在德国做访问学者时，常进得知美国要在南极开展一个名为ATIC的宇宙射线观测项目。根据自己的新方法，常进认为ATIC完全可以在不改动硬件的情况下观测高能电子和伽马射线，这可能会让自己的方法得到一个难得的验证机会。他成功说服美国科学家把探测器送到瑞士加速器上试验，试验结果证明他的方法完全可行。

2000年底，当几千立方米的气球在南极上空升起，并在37千米高的天空完成高能粒子观测时，惊喜出现了。常进发现，观测到的高能电子流量远远超出模型预计的流量。这些异常就像太空打出的惊叹号，每个曾试图窥探宇宙奥秘的物理学家都知道这意味着新的发现。

常进本能地想到了暗物质，这是一个已经萦绕在他脑海中太久的词汇。根据理论预测，暗物质的反物质就是其本身，两个暗物质粒子碰撞会产生电子、伽马射线等高能粒子。如果监测到的高能电子和伽马射线远超预期，不明来历的那部分很可能就源自暗物质。

这次意外让常进找到了事业新方向。2008年，他在《自然》上发表文章，介绍了宇宙高能电子的异常发现，这被美国物理学会和欧洲物理学会评为当年物理学领域的重大研究进展。科学界认为，该观测如果被证实，有可能是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据——湮灭意味着可观察，可观察又意味着可寻找和可理解，暗物质研究至此迎来曙光。

ATIC的气球留在空中的时间确实太短了——只有20多天，而且精度也不够高。与名声大噪的引力波探测不同，证明暗物质存在的最主要依据不是一个特异信号，而是要通过大数据分析避免统计涨落，从而证明一种具有完全不同性质的新物质存在于这个世界上。

要实现这些目标，最好的工具就是卫星。“没有X射线，伦琴就不会轻松看到夫人的手骨。”常进知道这对科学意味着什么，“不同波段可以看到不同的物理构成，卫星总会让我们看到没有看到过的新东西，我们肯定可以因此看到另一个世界。”新世纪之后，常进就不断申请太空暗物质探测计划，“从2002年算起，申请次数怎么也得十来次”。

回应最初很不乐观。这牵扯到对待科学研究的方式：科学史让人相信伟大的发现总是依赖于科学家的个人兴趣和意外发现，但现代科学研究也证明，科学家的个人兴趣要想变成伟大的科学发现越来越依赖于投入、设备——越来越大的投入和越来越高精尖的设备。

但当时的中国有太多迫切的科学和技术问题需要解决，少数几个大型科学项目所需要顾及的因素也太多。2003年，中国总计研发投入只有1539亿元，其中投向基础研究领域的经费总计只有87.7亿元，对大型科技基础设施的支持很容易就能让其他领域捉襟见肘。

事情好的一面是，虽然探测卫星的计划一直没有得到明确支持，情况仍然在不断改善。这几年间，常进参与了载人航天和探月工程，对神舟系列飞船、嫦娥系列卫星的研发做出了重要贡献。他甚至还参与了日本的暗物质探测器——量能器电子太空望远镜(CALET)的研发，受邀对探测器进行新的物理设计，他的技术路线正一步步地获得国际认可。

“国际上几个同类探测器使用的都是常进的方法，只是做了适度的改进。”同样在紫金山天文台工作的伍健，在苏黎世工作期间参与过AMS01的工作，这块永磁体是阿尔法磁谱仪最核心的部件之一：“这种方法让探测器的重量降低了三分之一，观测灵敏度提升了50%以上，探测器的效率相当于翻了一番。而且，项目需要的费用也大幅度降低了。”

2011年5月，正是在阿尔法磁谱仪被送上太空后，这场围绕暗物质探测的竞争渐入高潮。当年，中国的研发投入达到8687亿元，其中基础研究投入达到了411.8亿，中国科学院也开始启动一系列大型的科学项目。很快，间接探测暗物质就入选了中国科学院的战略先导专项空间科学项目，一直在做这项工作的紫金山天文台和常进终于从幕后走到前台。

寻找暗物质的三条路线

科学进步就是这样。有人发现异常，就有人提出新理论去解释这种异常，又会有人用更新的现象去验证前人提出的理论并寻求新发现。在曲折反复中，人类的认知不断丰富。不过，要想真正揭开暗物质的面纱，科学家就必须找到这种神秘的物质。其实，早在常进第一次提交太空暗物质探测计划的2002年，关于暗物质的理论猜测就已经相当成熟了。

很多物理学家相信，暗物质是由大质量弱相互作用粒子组成的。关于暗物质粒子最有吸引力的一个理论是超对称理论，该理论认为每种已知粒子都有一种对应的伙伴粒子，而大质量弱相互作用粒子就是这些伙伴粒子中最轻的。物理学家喜欢这种假设，因为大质量弱相互作用粒子总量的理论预测值刚好和暗物质总量差不多——巧合有时就意味着希望。

根据科学家的推测，可见物质的总质量大约只能占到宇宙总质量的5%，另外95%都是不可见物质——暗物质和暗能量，其中暗物质可以占到宇宙总质量的27%。科学家还推测出了暗物质的某些物理性质：不发光、数量多（每平方厘米每秒就有约100 000颗暗物质粒子飞过）、寿命长（否则暗物质粒子早就在宇宙形成后的漫长岁月中衰变成了其他物质）、速度快（每秒运动速度可以达到220千米，相当于子弹速度的600倍）。

尽管听起来清晰明了，但要通过实验手段观测到这些物质从而证明科学界的猜测，其难度之高就完全是另外一件事情了。暗物质完全不会与任何可见物质发生作用，科学家也就不能做出一个容器来捕捉这些暗物质。但暗物质并没有暗到无法被发现的地步，它的湮灭会放出伽马射线、中微子和其他带电高能粒子，这就为暗物质的发现提供了理论依据。

原本，科学界认为通过加速器就可以找到暗物质。从本质上说，加速器探测就是通过高能粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子打出来，然后再观测其性质。在瑞士，当今世界上最大的加速器上有两个大型的实验装置——ATLAS和CMS就一直在做这方面工作。

这种方法在理论上简单直接，实现起来却困难重重，迄今为止都没有任何大型对撞机能给出让人兴奋的答案。其实，在发现新的粒子方面，对撞机的重要性似乎越来越不那么令人满意了：继希格斯玻色子以后，大型强子对撞机就再没碰撞出任何新的基本粒子了。

针对暗物质的第二种探测方法因此得到了大范围的应用。这种方法基于一种假设：暗物质粒子会和普通原子核碰撞（目前得到普遍应用的三种候选原子分别是硅、氙和氩），如果静止的原子核动了一下，就可能是暗物质碰撞引起的。之后，只要把这个碰撞转化成光信号、电信号或者热信号，科学家就能推断出暗物质的存在，进而研究它的性质。

另外，由于地球绕太阳公转，太阳又围绕着银河系的中心转动，地球在不同季节和暗物质的相对运动速度就不同，接触频率就不一样，据此绘制的曲线就有明显的季节特征。在南北半球各设置一个实验室，观测结果又能基本排除温度、湿度和大气差异导致的细微变化，科学家就能确定暗物质是否存在并在此基础上分析这种神秘物质的性质。

但这种观测方法有着非常苛刻的要求。因为地面上使用的材料里都有很微量的放射性元素，这些放射性元素衰变的时候，发出的辐射的能量范围和暗物质粒子碰撞时一样；另外，天上也有大量高能粒子，高能粒子和大气作用产生的次级粒子也会影响对暗物质的观测。

要解决这些问题，最好的办法就是把检测装置埋藏在非常深的地下。实验室越深，宇宙射线对观测的干扰就越小。在四川的雅砻江锦屏山隧道里，中国就建成了世界上最深的地下实验室，在这个位于2500米厚的山体下面的实验室里，宇宙射线通量可以降到地面水平的亿分之一。即便如此，在实际运行了6年时间之后，这里仍然没有发现暗物质的踪迹。

常进率领“悟空”团队选择了第三条路线，到空间探测暗物质粒子相互碰撞后产生的可见粒子。星系中，普通物质是盘状的，只有暗物质相互作用才可能产生云状的伽马射线分布。因此，只要在GeV以上级别的能段上探测到伽马射线谱线，或者发现了球状或云状分布的伽马射线辐射，那就是宇宙在向人类发出强烈暗示：我们可能找到了暗物质。

最先进的探测卫星

地处南京市中心的紫金山天文台，距离南京的著名景点——总统府、江宁织造府都很近。秦淮河在这座被称为“六朝金粉”的古都缓缓流过，粗壮的梧桐树站立在城市每一条主要的街道两侧。相比于几百千米外的上海和苏州，节奏缓慢的南京让人感觉格外惬意。

不像很多科研机构，紫金山天文台没有独立的院子，但那座建于上世纪80年代的七层建筑还在提醒大家这个机构曾经的光荣。1928年，紫金山天文台的成立，标志着中国现代天文学研究的开始。大部分时间，常进就在这座楼里分析“悟空”号搜集到的数据。

几乎所有科学家得到的关于宇宙的知识都是来自电磁波段实验积累的数据。400年前，伽利略用自制的望远镜开始探索可见光世界。从那时开始，天文学家把观测设备的能力不断提升。他们学会了观测无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线以及伽马射线等，从而揭示了船底座星云中恒星的诞生，土星卫星上面喷泉的喷射，找到了银河系的中心位置，探测到了类似地球的行星。但是，95%的宇宙是无法用传统的天文学手段观测到的。要想了解到这部分宇宙，科学家就必须借助不断升级的技术积累下的大量数据。

于是，当“悟空”号每天飞过中国，北京密云、新疆喀什和海南三亚的三个接收站就会接收数据，平均16G的数据会从500千米高的天空传回地面。之后，相当于10部高清电影的数据会被传送到北京的空间科学中心。在这里，来自不同接收站的数据经过还原和拼接，变成超过100G的数据包。接下来，这个数据包会传送到紫金山天文台供科学家分析。

在紫金山天文台三层的办公室，排满三面墙的17个显示器昼夜不停，科学家就从这里看到卫星的状况和数据分析的结果，数据的存储和运算则在隔壁几间被封锁起来的办公室进行。另外一面墙上安装了大屏幕，这样，世界各地的科学家就可以随时举行视频会议。

“卫星刚上天时，这个屋子坐满了来自各个机构的科学家和工程师，大家就担心万一出了问题，该怎么解决。”伍健是暗物质卫星科学应用系统的总设计师。高中时，他的理想是通过核聚变解决能源问题，这是一个在当时看来充满希望却直到现在都未能解决的问题。相反，那个在当时看来遥不可及的问题——发现暗物质却有了希望，伍健不想错过这样的机会。现在，他最大的理想就是“悟空”能平稳地在天上飞行，从而传回更多数据。

“悟空”代表着中国最高超的制造工艺。1立方米的探测器集成了75 916个子探测器，4个核心部件——塑闪阵列探测器、硅微条探测器、BGO量能器和中子探测器——各有用处又互为备份。通过将高能粒子能量转化为光信号和电信号，这些部件可以精确测出粒子的能量、发射方向和其他性质。连接这些核心部件的是616支光电倍增管、616路高压电缆、1848路信号电缆、4.5万个高压焊点、16块电子学板、92个接插件和136路热电偶。

很多不起眼的部件背后都有极为严苛的标准，例如分压板只有两枚硬币大小，但要控制18万倍的电压范围，硅微条探测器上的硅微条只有100多微米宽。重量接近卫星总重量一半的BGO量能器上的BGO晶体边长达到了60厘米，这比之前的世界纪录长了整整一倍，让我们拥有全世界探测面积最大的空间探测器。除此之外，还有35 000行代码，每一行代码的错误都有可能让这个探测器遭受灭顶之灾。

目前，“悟空”是暗物质间接探测领域中的第一利器，它对入射粒子的位置测量精度可以达到头发丝直径的百分之一。由于可以探测电子、伽马射线和质子的能量、方向、携带电荷和到达时间等12个变量，“悟空”的价值远远超过任务本身，它可以回答科学界的很多疑问。除了暗物质，它还有望告诉人们宇宙射线究竟来自哪里，这同样非常重要。

但以传统视角观察，这颗卫星太不安全了。它的重量是1.8吨，但载荷重量超过了1.4吨，载荷和卫星平台的质量比达到了3:1。经过多年发展，中国确实不缺少卫星发射能力，但把一颗载荷与卫星平台质量比超过1的卫星送上天，对中国来说还是第一次。不只紫金山天文台，上海的微小卫星创新研究院、中国科学技术大学、中国科学院的近代物理研究所和高能物理研究所，都参与了研发，他们还请来了专门研究雷达和系统的工程师。

为了保证卫星能够顺利走过最初的三个月——那意味着卫星没有设计问题，伍健和来自其他机构的同事做了超过100个重要预案，又让每个岗位的人思考如何紧急处理各自岗位上出现的棘手问题。他们检查了每一件设备，校准了每一个零件，分析了每一行代码，“光是操作手册就有这么厚”，伍健双手括出一段距离，大概有十几厘米，“每个礼拜，我们还要开一次视频会议。”就算这样，他们还是不放心：“总觉得会出点什么问题。”

他们担心的问题最终也没有出现，“效率是100%”，因为有更好的探测能力，“悟空”号搜集的数据量迅速超过了更早被送上太空的日本量能器电子太空望远镜。想着“悟空”号每6个月就能巡天一次，大量数据正源源不断被传到南京，常进终于放松了一点。

图 | “悟空”号团队曾在欧洲核子研究中心做束流试验，这是试验期间，常进等人与欧洲核子研究中心科学家的合影。

一定有更大的惊喜

按照最初的规划，“悟空”号将在升空后的两年时间内完成一次全天扫描；之后一年，“悟空”号将对暗物质较多的地方进行针对性扫描。这样，在三年设计寿命到期前，“悟空”号将给出很多关于暗物质的证据，由此积累的大量数据也是进一步分析的基础。

为了保证“悟空”项目的顺利进行，紫金山天文台有一个严格的排班表。项目开始之初，由于担心无法及时解决很多突发问题，很多人甚至凌晨三点就会来到实验室。到后来，随着一切都走上轨道，排班的频率才逐渐降低到每个人的体力可以支撑的程度。

现在，这颗卫星已经运行近两年，搜集到的数据让这一代科学家距离梦想近了很多。虽然“悟空”号返回的数据让团队距离谜题的答案越来越近，但所有科学家都保持着相当的谨慎，“这只是万里长征的第一步”。

常进尤其如此，他完全没办法放松下来。卫星升空后，还在发烧的他一回到南京就“教训”了实验室所有的人，他觉得大家的状态不对，“万里长征才刚开始啊”；他不断出差协调各方，他希望所有人都能在统一框架下精诚合作，他不想这个过程有丝毫耽搁；他甚至还提到了日本那颗用来研究黑洞的卫星“瞳”的解体和SpaceX火箭的爆炸，这都让他有点后怕，事故的原因显而易见——前者因为代码错误，后者因为液氧罐故障，但避免差错就是很难，“我来自泰兴农村，这颗卫星可相当于泰兴几个乡农民的年收入啊”。

但这已经是成本最低的暗物质探测卫星了，“费用大概只有阿尔法磁谱仪的二十分之一”。建造各种尖端探测器时，科学家常有这样的说法，“只有建造一个不完美的探测器才能学习如何建造一个更好的探测器”。但常进和伍健都说，他们没机会这样做，他们必须做一个完美的东西出来，结果当然如愿。他们说，这要归功于这个团队已经详细思考了所有细节，并且参与了非常多的国际合作，还采用了最成熟的设计理念和最先进的技术。

不只常进，甚至不只紫金山天文台和这个机构的合作伙伴，所有关注暗物质的科学家都在关注这个团队的进展，即便大家使用的是完全不同的研究方法。因为，这三种方法在理论上来说可以互为补充。如果“悟空”号找到的暗物质粒子的质量超过现有加速器的能量上限，加速器的能量就必须提高，地下直接探测实验的方案也就有了明确的努力方向。

这一点在去年更加明显了。2016年3月，丁肇中宣布最快可能在2024年通过观测证实暗物质的存在；4个月后的7月21日，中国锦屏地下实验室PandaX的负责人季向东宣布，在3.3万千克/天的曝光量下，实验室没有发现暗物质粒子踪迹，实验室在此前100天记录的3000万次事件中仅有一个可疑，这个事件最后也被证实源自材料的放射性。越来越多的人都从那时开始等待南京的声音，大家都期待这个团队能给这项事业带来好消息。

常进领导下的庞大的数据团队——包括仪器设计者在内的全球100多位科学家都没机会放松。第一个阶段的工作小有收获，卫星状况也出乎意料的好，这些让常进轻松了很多。当然，最让他高兴的是，卫星的设计寿命还剩一年多时间，而且良好的运行状况意味着卫星的寿命有望延长，他可以在这段时间里得到大量数据，这就像倾听一个来自未知世界的交响乐——不只动听，还很迷人，而且神秘。

“我们还是做好自己的工作，”常进想了想说：“我们已经触碰到新的世界，一定有更大的惊喜等着我们。”

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