开创性发现：“悟空”发现疑似暗物质踪迹
暗物质,一个人类追寻多年的宇宙魅影,最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。
国际权威学术期刊《自然》于北京时间30日在线发布,暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测,意味着中国科学家取得了一项开创性发现。
11月27日,暗物质粒子探测卫星“悟空”首批科学成果新闻发布会在中国科学院举行。新华社记者 金立旺 摄
“‘悟空’的最新发现,是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说,如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项具有划时代意义的科学成果,即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。
探问宇宙之谜的火炬,传承到新时代的中国人手中。从“东方红一号”到“悟空”,从茫茫深海到浩渺太空,“中国梦”正承载起更多为全人类探寻未知、解答未知的使命。
打开“新窗口”:疑似暗物质踪迹初现?
经过两年持续观测,“悟空”在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段,“定位”了一束明显异于常态的电子宇宙射线。
“之前没有人发现过。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进解释,正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线,但根据“悟空”观测数据,这里突然出现了一处剧烈波动,划出一个“尖峰”,意味着此处必有“古怪”。
“现有的物理模型无法解释‘悟空’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。
新发现是否就是科学家苦苦追寻的暗物质踪迹?中科院理论物理研究所所长吴岳良说,根据现有数据和理论模型无法做出断定,但这是“暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据”。
暗物质是什么?发现暗物质的意义究竟有多重大?
当前主流科学界认为,人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5%,剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测,与物质相互作用也很弱,人类至今对它知之甚少。
暗物质的“真相”因此位列21世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜,被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。
面对诱人前景,科学家在全球展开竞争,试图第一个找到暗物质的踪迹。天上,把强磁场设备送进太空;地下,深入几千米的大山建造实验室……科学家使出浑身解数,用上了多种探测手段,国际上的相关实验和设备多达数十个。
“‘悟空’用的是探测高能宇宙射线的方式,寻找暗物质粒子湮灭的间接证据。”常进说,根据理论模型,暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等宇宙射线,一旦找到特定的高能宇宙射线,有望推断出暗物质的“庐山真面目”。
“悟空”得出数据后,研究人员为了排除分析方法可能产生的干扰,将初始数据分别交由4个中外团队独立分析计算,最后得出一致结论:在1.4TeV处确实出现了异常现象。
这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说,如果进一步研究确认与暗物质相关,人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。
“即便无法证明是暗物质的踪迹,‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口。”常进说。
宇宙捞“针”:“悟空”有哪些绝技
《自然》期刊中国区科学总监印格致(Ed Gerstner)对常进的话深以为然。“科学就是在一个接一个的‘可能’中不断接近真理,”他说,“对科学家来说,发现异常未知的那一刻最兴奋。”
不过,寻找“异常”与“可能”绝非易事。自2015年底发射升空,“悟空”探测了35亿多个高能宇宙射线,从中总共搜寻出100多个异常电子,难度不亚于大海捞针。
“天上的辐射背景太复杂,需要做出区分。”“悟空”科学应用系统总设计师伍健说,与国际同类探测设备相比,“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类宇宙射线的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的信号。
“就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人,既要快,又要准。”常进说。
目前国际上知名的相关研究项目有美国费米卫星,日本量能器型电子望远镜,以及著名物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪等。“悟空”科学应用系统副总师范一中说,相比同类设备,“悟空”显著提高了电子能量观测的上限,得到的电子样本“纯净”程度也最高,这是中国科研人员自主提出的新探测技术,实现了对高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。
香港大学物理系副教授苏萌说,关键性的“拐折”由“悟空”首次测量出来,说明中国的暗物质卫星测量水平具有非常独到的优势。
“悟空”研究团队也坦承,目前数据统计量还不够,存在一定的统计误差。“我们是‘靠天吃饭’,天上有多少宇宙射线,我们才能测到多少事例。”常进说,要降低统计误差,唯一办法是积累大量数据,这需要更多时间。
好消息是,“悟空”在轨运行状况很好,预计卫星在天工作时间会大大超过设计寿命。“悟空”研究团队透露,今后两三年是卫星数据分析的关键时期,收集到目标事例越来越多,绘制的能谱越来越精确,还将有系列重大成果发布。
探索“无人区”:中国瞄准人类科学前沿
不久前,伍健到欧洲的合作伙伴总部访问,会议室陈列了三个科学实验装置的标志,按时间顺序分别是费米卫星、阿尔法磁谱仪和“悟空”。“这是他们从数十个合作项目中选出的、有代表性的实验,在相关领域最有希望取得成就。”伍健说。
“悟空”对暗物质的探寻,已经逐渐进入科学的“无人区”。但在“无人区”做一个“领跑者”,不是件容易的事。原创思想、技术实力,这些年来“悟空”研究团队没少被质疑。
上世纪90年代末,由于资金短缺,常进加入美国一个高能宇宙射线研究项目。起初,他的观测方法得不到美方同行的认同,经过反复模拟和实验验证,美方的南极气球项目终于采纳了他的方法,并在高能电子观测方面取得重要进展。
时隔多年,美国团队中一位教授在国际学术会议上提到此事,还连连感慨:“中国的常教授当年给我们带来一个疯狂的想法,结果一举成功!”
“悟空”用的一个探测器关键芯片需要进口,但当时国外对中国禁运这类芯片。“悟空”研究团队从零开始,研究芯片、改装芯片,最终用自己的技术解决了这一问题。
“整天跟着别人屁股后面搞研究,谈何自主创新?”常进说,“中国的科研人员一定要有自信,外国的技术路线不见得比我们强,关键在于我们找到了正确方法后自己能否守得住。”
站在科学的最前沿,也让中国科学家赢得更多荣誉。“我们主导的研究发现,就能把自己的名字署在上面。”范一中说。
从卫星设计、测试起,以常进为首的“悟空”研究团队不断吸引国内外科研人员加入,目前已经形成了来自中国、瑞士、意大利等国,人数超过100名的多学科顶尖人才团队。
从深海载人技术到量子保密通信,从“天眼”到“悟空”,中国对科学和技术“无人区”的探索日渐成为常态。“聚沙成塔,国家实力不断增强,对基础研究不断重视,让以前不可能的事情成为现实,也让科学家有机会实现更伟大的梦想。”常进说。
新华社记者 陈芳、董瑞丰、蔡玉高、蒋芳
