首席科學家詳解暗物質衛星「悟空」

暗物質衛星「悟空」已經發射升空，作為我國首顆專門從事基礎科學研究的衛星，即將展開科學任務。圖片來源：dpnc.unige.ch

12月17日，暗物質粒子探測衛星「悟空」在酒泉發射升空。

不同於以往我國發射的其他衛星，這是首顆專門用於基礎科學研究的探測衛星。「悟空」的探測目標也不像「嫦娥」和「玉兔」那樣清晰明了，它要尋找的是一種天文學家幾乎肯定它存在，卻沒有人確切知道它是什麼的東西——暗物質。

從上世紀30年代起，天文學家就從觀測中陸續找到了一些證據，暗示宇宙中物質的質量遠遠大於所有可見物質的總和。比如，他們發現銀河系裡千千萬萬顆恆星的運動速度大於預期，如果沒有更多的東西施加額外的引力，銀河系本身就會被甩得分崩離析，根本不能凝聚成形。再比如，星系團之類的龐大天體能夠彎曲星光，扭曲並放大背後更遙遠星系的影像，通過這種引力透鏡效應，天文學家發現星系團的質量遠遠超出其中發光物質的總和。於是，天文學家假設宇宙中存在一類看不見的物質，稱它們為暗物質。結合現有的天文觀測證據，天文學家普遍相信，宇宙中暗物質的質量大約是普通物質的5.5倍。

那麼，暗物質到底是什麼？這個問題，到現在為止都還沒有確切答案。主流理論認為，暗物質可能由一大類粒子構成，它們被稱為弱相互作用大質量粒子（WIMP）。

不同於構成我們身體及周邊所有物品的基本粒子，這些暗物質粒子本身質量較大，卻不參與任何電磁相互作用。不要小瞧這一「絕技」。歸根到底，我們看得見、摸得著、嘗得出、聞得到、聽得清身邊的其他東西，都是電磁相互作用在其中貢獻力量的結果。所以，完全不參與電磁相互作用的WIMP粒子，就相當於是粒子世界中本領高超的隱身胖子，既看不見，也摸不著，更不要說用其他感觀去感受它了。

對於這些擅長隱身的暗物質粒子，科學家有用什麼辦法來探測它們呢？

一種辦法是主動創造這些粒子。根據愛因斯坦的質能方程E＝mc2，能量和質量是等價的，在一定條件下可以相互轉換。如果把足夠高的能量濃縮在極小的空間體積之內，就像科學家在大型強子對撞機裡進行的粒子碰撞實驗一樣，這些能量就會轉化為各式各樣的粒子四散奔逃，被科學家設置在周邊的各類探測器記錄下來。如果能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產生出暗物質粒子——而暗物質粒子是隱身的，無法被周邊的探測器記錄到。於是，在科學家看來，這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果發生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質粒子的存在提供直接證據。

另一種辦法是守株待兔。暗物質粒子可以說是無處不在，每秒鐘可能有上億個暗物質粒子穿過你的眼睛。當然，由於它們隱身能力超強，我們對此毫無知覺。不過，根據理論，這些粒子仍會參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內部發揮作用。因此，儘管暗物質粒子是隱身的，並不意味著它們就可以橫衝直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個「樹樁」。被暗物質粒子撞上的原子核會發光發熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動是科學家有可能探測到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質粒子撞上去的機率低到幾乎可以忽略。科學家只能採用一個笨辦法，準備好一大片森林等兔子來撞。他們在巨大的探測器裡裝上大量反應物質，等待過路的暗物質粒子碰巧撞上其中某個原子核。當然，為了儘可能排除其他粒子撞上原子核而產生的幹擾，科學家往往把這樣的暗物質探測器深埋在地下，讓厚厚的巖層把不會隱身的其他粒子儘可能屏蔽在外面。

第三種辦法，那就是等這些隱身的粒子自行現身。某些理論預言，當兩個暗物質粒子相遇時，它們會相互湮滅，產生出高能的伽馬射線，或者產生出高能的正反粒子對。這就好像兩個隱身人在相遇的一瞬間，突然脫去了隱身鬥篷，不只變成兩個普通人，甚至還發出了耀眼的光芒。不論是伽馬射線，還是普通的反物質粒子，都是可以直接探測到的。如果科學家在暗物質集中的地方探測到了過量的伽馬射線，或者在宇宙中探測到了來源不明的高能反物質粒子，它們就有可能來源於反物質粒子的湮滅，從而給反物質的存在提供間接的證據。不過，由於這些信號無法很好地穿透地球大氣層，用這種方法來間接尋找暗物質的探測器，必須被發射到地球以外才能夠發揮作用。

今天發射升空的「悟空」暗物質探測衛星，採用的便是這第三種辦法，到太空中探測高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質存在的證據，並推斷出它們的某些性質。

暗物質衛星首席科學家常進在歐洲核子研究中心（CERN）。圖片來源：中科院國家空間中心

即將發射之際，暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進在酒泉衛星發射基地接受新華社中國特稿社的專訪，詳細解答了如何到太空探測暗物質以及暗物質衛星的相關問題。

要找的「人」，還不知長什麼樣

記者：天文觀測證據已經基本上肯定有暗物質的存在，我們現在發射暗物質衛星，是為了進一步證明暗物質的存在，還是要弄清它的性質？

常進：是為了弄清它的性質。我們知道宇宙中有一些不發光的物質，但這些不發光的物質是什麼，現在並不清楚。天文學家發現，銀河系裡成千上萬顆恆星的實際觀測速度要大於理論上的速度。太陽的速度理論上是每秒160千米，但是現在觀測太陽的速度大概每秒240千米。如果不存在暗物質的話，太陽系就應該處於銀河系的更外圍，而不是現在這個位置。

記者：暗物質究竟是怎麼產生的？為什麼會有暗物質？

常進：暗物質產生於宇宙大爆炸。至於為什麼會有暗物質，目前還不清楚。這也是暗物質探測這麼熱門的原因，因為現有基本的物理知識無法解釋暗物質。一旦找到暗物質，將會帶來物理學的革命性突破。

記者：自上世紀30年代初，科學家就發現存在暗物質，經過這麼多年的研究，還是沒有探測到暗物質的明確證據。是因為找的方法不對，還是因為儀器不夠靈敏？

常進：是因為在理論上，我們根本就沒弄清楚它究竟是什麼東西。如果理論上知道它是什麼，我們就很容易找到它。打個比方來說，我們要去找一個人，只知道這個人可能存在，但這個人穿什麼衣服，長什麼樣子，我們根本不清楚。只能通過排除法，從一些可疑的跡象去篩選。

記者：科學家在尋找暗物質的過程中已經排除了一些候選者。我們的衛星要找的，是否就是最多人研究的弱相互作用大質量粒子？

常進：我們的衛星可以尋找弱相互作用大質量粒子。暗物質的模型太多了，但是討論最為廣泛的一個模型是弱相互作用大質量粒子。在許多新物理理論中，可以自然地引入這樣的粒子。但暗物質究竟是不是這樣的粒子，我們還不清楚。目前還有一些其他的理論模型，比如軸子、惰性中微子，或者更大質量的很奇異的粒子。

記者：誰都不知道暗物質到底是什麼，卻要尋找它，這樣的尋找需要運氣嗎？

常進：搞科學不是靠運氣，但是具體發現什麼，確實有一些運氣的成份在裡面。我們不確定暗物質是什麼，連基本的物理性質都沒有弄清楚，這是最主要的不確定性。我們已經知道暗物質壽命長、不發光、不與其他物質相互作用。我們只能根據一些疑似跡象，比如伽馬射線超出、高能電子異常、反質子能譜異常等來設計探測器，但是有很多不確定性。

通過「兒子」認識「爸爸」

記者：你們是到太空去尋找暗物質粒子湮滅或衰變的產物，有人把這樣的產物比喻成暗物質的兒子，那麼認識一個人的兒子就能反推出他爸爸的性質嗎？

常進：從兒子可以得到他爸爸的一些性質，不可能得到他爸爸的全部性質，只能一步步推。如果能夠觀測到暗物質湮滅或衰變的產物，那麼暗物質的質量和其他一些物理性質，以及在空間的分布等信息，都可以得到。

記者：暗物質粒子湮滅或衰變後的產物，就變成了普通物質粒子，是不是普通物質都是由暗物質變來的呢？

常進：現在有一些科學家從事這方面的研究。一般認為，普通物質和暗物質都是在宇宙大爆炸中同時產生的。因為暗物質的反應率這麼低，可以很自然地估計，現有的物質不可能全是暗物質產生的。

記者：暗物質的湮滅經常發生嗎？

常進：如果暗物質真的相互間發生湮滅，那麼它每時每刻都在發生。但湮滅率太低，人類很難探測到相應的產物。

記者：我們的衛星就是探測附近發生的湮滅嗎？

常進：如果湮滅產生伽馬射線，那麼我們可以探測非常遙遠的宇宙空間；如果是高能電子，那就只能探測太陽系的附近區域，因為高能電子的傳播距離不能太長。但要注意，這裡所說的「附近」，實際上指的也是3億億千米這樣的距離。

根據最新的天文學觀測，宇宙中我們看得見摸得著的普通物質，或者說重子物質（黃色），約佔宇宙總質能密度的4.9%，而暗物質（藍色）約佔26.8%，遠遠超出普通物質。剩餘的68.3%是更加神秘的暗能量（灰色），推動宇宙正加速膨脹。圖片來源：inspirehep.net

記者：現在研究暗物質主要通過在加速器上「製造」，在地下直接觀測，以及到太空間接觀測3種方法。這3種方法之間是什麼關係？也會互相印證嗎？

常進：這3種方法互為補充，可以互相印證。如果我們在天上找到一種暗物質粒子，它的質量超過現有加速器的能量上限，那麼加速器的能量就必須再提高。同樣，如果我們把暗物質的質量弄清楚了，也會指導地下的直接探測實驗去修改他們的方案。比如，清華大學、上海交大目前致力於尋找低質量的暗物質粒子，國際上一些科研團隊主要探測大質量的暗物質粒子。如果我們準確知道了暗物質粒子的質量，那地下實驗的目標就會變得比較明確。

天下武功唯快不破

記者：只要有湮滅我們就能發現嗎？

常進：不一定能發現，必須要積累到一定的量以後才能發現。這跟儀器的靈敏度有關係，儀器靈敏度越高，就能發現越微弱的湮滅。我們的暗物質衛星即使找不到，也不代表這種方法未來找不到。天下武功唯快不破，做物理就是越靈敏，才越有可能有發現。

記者：你們在與美國合作的南極氣球試驗中已經發現了一些高能電子的異常，並於2008年在《自然》上發表了文章，但還不能確定這些異常是否來自暗物質。我們的暗物質衛星怎麼能夠排除其他天體的幹擾呢？

常進：第一是提高能量分辨和空間分辨的本領。第二要降低本底，就是把觀測到的信號，與大量的宇宙線區別開來，降低宇宙線背景。第三就是提高靈敏度。降低背景，提高解析度，把探測器做得足夠大，都是提高靈敏度的方法。這3個物理指標比別人的高，就證明我們的探測器比人家先進。現在我們在能量分辨方面領先，而且我們的探測器達到了世界上同類設備的最高能段。

記者：這其中，最難的是什麼？

常進：降低本底。這跟具體方法有關係，我們只能說，在某些波段本底降低得比較明顯，但是在低能方面，與美國安置在國際空間站的阿爾法磁譜儀相比，還達不到他們的水平。畢竟，人家花了20億美元，用了那麼多新的技術。

記者：暗物質衛星有4個探測器，請通俗地介紹一下這4個探測器的作用？

常進：我們這個探測器最主要的本領，是測量高能粒子的能量、方向和電荷，以及鑑別粒子的種類，這是我們當初建造這個探測器的初衷。我們設計的探測器從頂部到底部，都是圍繞這3個物理量和粒子鑑別去設計的。4個探測器組合在一起使用，能夠為尋找暗物質提供所需的各方面的信息。

暗物質衛星結構圖，從上到下依次是塑閃陣列探測器，矽陣列探測器、BGO量能器、中子探測器。圖片來源：dpnc.unige.ch

記者：你的科學設想如何實現變成一顆科學探測衛星？這個過程是怎樣的？

常進：這個過程並不容易。第一，國際上暗物質的探測已經熱起來了，我們這種方法也能夠用來間接探測暗物質，這是國家選擇我們的原因，也是最主要的原因。第二，我們有一定的技術基礎。這兩點是我們能夠將設想變成一顆科學探測衛星的原因。探測暗物質或者暗能量，要一步步做出來，要靠腳踏實地地去幹。很多人都說我的運氣比較好，我承認，但他們沒看到我們做空間探測這一行25年了，有很長的技術積累。天上不會掉餡餅，沒有那麼多年的吃苦，在實驗室裡摸索和積累，不可能將科學設想變成一顆科學衛星。

記者：中國的暗物質衛星研製費用分別是美國費米望遠鏡和阿爾法磁譜儀的1/7和1/20。我們在這麼少的經費下能夠做出來，是不是也是想了很多辦法？

常進：是。關鍵就是不浪費。不浪費時間，技術路線不走彎路，就是最大的省錢。我們使用的技術，都是世界上最好的成熟技術，也都是我們有基礎的技術，沒有採用我們尚未完全掌握的技術。

打開新窗口，陽光就會照進來

記者：對於這次發射的暗物質衛星有什麼期待？

常進：我現在期待它工作正常就行了。只要衛星工作正常，就為我們打開了一扇新的窗口，陽光就會照進這個窗口來。

如果指望暗物質衛星一下子就能把暗物質準確找到，這個期望太高了。我們這顆暗物質衛星，只是瞄準暗物質可能產生的一種現象，也就是暗物質粒子湮滅或者衰變的時候，它會產生的一些高能粒子，這叫間接法。至於間接法能不能找到暗物質，我現在也無法告訴你。我可以告訴你的是，儘管暗物質粒子探測器最主要的目標是去找暗物質，但這個探測器本身就是一個望遠鏡，一旦打開這扇新的窗戶，必然會看見好多新奇的現象。究竟這個新奇的現象是逮到了暗物質，還是其他的一些新的天文、物理現象，我們還不清楚。對我們天文學家來說，最重要的是要做一個可靠的儀器，高解析度的儀器，這樣我們打開的這扇窗就不會是模模糊糊的，會看到一些很清晰的物理構成和物理現象，這是最關鍵的。

在暗物質這種前沿問題上，它的基本物理性質還沒有弄清楚，誰都不能保證百分之百一定就能找到暗物質。這就是暗物質研究在國際上這麼熱，但是到目前為止還沒有什麼新的進步的原因。目前為止我們弄清楚的一點，就是高能電子有異常。這種異常究竟是不是來自於暗物質，我們不清楚，但我們這顆暗物質粒子探測器也不是盲人摸象，而是因為確實發現了異常，我們才要做出一個這樣的探測器，打開一扇新的窗口，去看看究竟是怎樣的現象。弄清楚了這個異常，就是一個很大的成果。

暗物質是科學前沿，對於我們來講，暗物質探測是技術上的挑戰，也是一次機會。抓住這個機會，不一定是為了實現尋找暗物質的目標，而是做一個高精度的探測器，這是我們的目標。至於發現暗物質還是其它的，倒不是我本人關心的，可能是我們試驗分析數據的科學團隊最關心的。對我來講，最關心的是這個儀器能不能成功，因為這是回報國家的。只要這個儀器是成功的，對國家肯定是有貢獻的，我們的技術又邁上了一個新臺階。

期待暗物質粒子探測衛星順利工作的科學家。圖片繪製：賀萌

記者：究竟觀測到了什麼就表明是暗物質？

常進：實際上我們也不是很清楚，我們作為觀測學家，或者實驗物理學家，只能說把這個儀器做好，它發現的任何東西對我來講都是很新奇的。但是判斷暗物質，要由全世界的理論物理學家說了算，理論物理學家都認為它是暗物質，那麼就是暗物質。我們會發布對伽馬射線、宇宙線的高精度測量結果。實際上，伽馬射線譜線、高能電子能譜、高能正電子能譜，伽馬射線空間分布等，都可以用來研究暗物質。

記者：暗物質衛星還可以探測宇宙線，伽馬射線，這些又能解答什麼問題？

常進：本來它就是一個宇宙線望遠鏡，除了暗物質外，它還可以找到宇宙線和伽馬射線。我們可以去研究宇宙線的起源、傳播和加速。宇宙線發現了將近100年，但是宇宙線的物理起源，究竟那麼高能量的宇宙線來自於什麼，人類到現在也沒有弄清楚，這是很奇怪的。

記者：暗物質粒子湮滅產生的能量，以及宇宙線，如果我們將來對它們研究清楚了，是否可以加以利用？

常進：首先要弄清它的物理性質，至於未來它有什麼樣的用處，現在還不好說。量子物理剛發現時，人們認為這一點用處都沒有，但是現在什麼都跟量子物理有關係。我們現在的宇宙探索，只有弄清暗物質的物理本質以後，才能說它對未來產生什麼作用，但是物理的進步會導致科技的進步，這是百分之百肯定的。

記者：有的專家說現在已經在發現暗物質的邊緣，丁肇中先生有一次接受採訪說，還有5到10年就能發現暗物質，你認為還要多長時間才能發現暗物質？

常進：我認為要確定性的發現暗物質，需要全世界相關科學家的共同努力，準確時間難以預計。

記者：中國現在能夠為純基礎科學研究發射一顆衛星，這是否說明中國的基礎科學得到了重視？

常進：儘管中國的科學水平在某些方面和國際上有差距，但我們不能妄自菲薄。國家對基礎科學、空間科學予以了高度重視，也是我國科學技術水平已經達到了一定程度的具體體現。以前我們和國際上差得太多了，人家跟我們討論都不討論。今天在一些領域，我們和國際同行平起平坐。只要大家埋頭幹，中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破。（編輯：Steed）

本文由果殼網與新華社中國特稿社共同製作，特别致謝。