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首席科学家详解:卫星“悟空”如何寻找暗物质?

来源: 新华网 作者:喻菲 王晨曦 吴晶晶 时间:2015-12-18 07:10:43

  12月17日,搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空。当日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空。新华社记者金立旺摄

  新华网酒泉12月17日电(记者喻菲王晨曦吴晶晶)中国17日把暗物质粒子探测卫星“悟空”成功送入太空,这是人类在探索宇宙核心秘密进程中迈出的又一重要步伐。“悟空”有望用它的“火眼金睛”探测到披着“隐身衣”的暗物质存在的证据。

  发射前,暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进在酒泉卫星发射中心接受了新华社中国特稿社的专访,详细解答了如何到太空探测暗物质以及暗物质卫星的相关问题。

  要寻找的“人”,还不知长什么样

  记者:目前很多天文观测证据已经基本上比较肯定有暗物质的存在,那么我们现在发射暗物质卫星,是为了进一步证明暗物质的存在呢?还是要弄清它的性质?

  常进:弄清它的性质。我们知道那里有一些不发光的物质,但是这些不发光的物质到底是什么,到现在为止我们不清楚。包括地球附近也有大量的暗物质。天文学家发现,银河系里成千上万颗恒星的实际观测速度要大于理论上的速度。太阳的速度理论上是每秒160公里,但是现在观测太阳的速度大概每秒240公里。如果不存在暗物质的话,太阳系就应该处于银河系的更外围,而不是现在这个位置。

  记者:暗物质究竟是怎么产生的?为什么会有暗物质?

  常进:产生于宇宙大爆炸,为什么会有暗物质还不清楚。为什么暗物质探测这么热?就是现有基本的物理知识无法解释暗物质。一旦找到暗物质,将会带来物理学的革命性突破。

  记者:自上世纪30年代初,科学家就发现存在暗物质,经过这么多年的研究,还是没有探测到暗物质的明确证据,是因为找的方法不对?还是因为仪器不够灵敏?

  常进:是因为理论上,我们根本就没弄清楚它究竟是什么东西。如果理论上知道它是一个什么东西,我们就能很容易把它找到。通俗地讲,我们去找一个人,只知道这个人可能存在,但是这个人穿什么衣服,长什么样子,我们根本不清楚,只能通过排除法,或者说一步一步筛选,从一些可疑的迹象筛选。

  记者:科学家在寻找暗物质的过程中已经排除了一些候选者。我们的卫星要找的是否就是最多人研究的弱相互作用大质量粒子?

  常进:我们的卫星可以寻找弱相互作用大质量粒子。暗物质的模型太多了,但是一个讨论最为广泛的模型是弱相互作用大质量粒子(WIMP),在许多新物理模型中可以自然地引入这样的粒子。但是暗物质究竟是不是这样的粒子还不清楚。目前还有一些其他的理论模型,像轴子、惰性中微子,或者是更大质量的很奇异的粒子。现在有关暗物质最主要的问题还没有弄清楚。

  记者:谁都不知道暗物质到底是什么,却要寻找它,这样的寻找需要运气吗?

  常进:肯定要有一定的运气。搞科学不是靠运气,但是要具体发现什么,还是有一些运气的成份在里面。最主要的不确定性就是,暗物质究竟是什么,基本的物理性质都没有弄清楚。我们现在已经知道暗物质长寿命、不发光、不与其他物质相互作用。其他我们只能根据一些疑似迹象,比如伽马射线超出,高能电子异常,反质子能谱异常等来设计探测器,但是有很多不确定性。

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  通过“儿子”认识“爸爸”

  记者:你们是到太空去寻找暗物质粒子湮灭或衰变的产物,有人把这样的产物比喻成暗物质的儿子,那么认识的一个人的儿子就能反推出他爸爸的性质吗?

  常进:从儿子可以得到他爸爸的一些性质,不可能得到他爸爸的全部性质,只能一步步推,基本上可以得到他的性质,因为有基因。如果能够观测到暗物质湮灭或衰变的产物,那么暗物质的质量和其他一些物理性质,以及在空间的分布等信息都可以得到。

  记者:如果你们观测到的是暗物质粒子湮灭或衰变后的产物,它就变成了普通物质粒子,是不是普通物质都是由暗物质变来的呢?

  常进:现在有一些科学家从事这方面的研究。一般认为普通物质和暗物质都是在宇宙大爆炸中同时产生的。因为暗物质的反应率这么低,可以很自然地估计现有的物质不可能全是暗物质产生的。

  记者:暗物质的湮灭是经常发生的吗?

  常进:如果暗物质真的相互间发生湮灭,那么它每时每刻都在发生。但湮灭率太低,人类很难探测到相应的产物。

  记者:我们的卫星就是探测附近发生的湮灭吗?

  常进:如果湮灭产生伽马射线,那么我们可以探测非常遥远的宇宙空间;如果是高能电子只能探测太阳系的附近区域,因为高能电子的传播距离不能太长。但要注意这个地方说的“近”实际上表征的也是3亿亿公里这样的距离。

  记者:现在研究暗物质主要通过在加速器上“制造”,在地下直接观测和到太空间接观测三种方法,这三种方法之间是一种什么关系?也会互相印证吗?

  常进:这三种方法互为补充,可以互相印证。如果我们在天上找到一种暗物质粒子,如果它的质量超过现有的加速器的能量上限的话。那么加速器的能量就必须再提高。同样如果我们把暗物质的质量弄清楚了,会指导地下的直接探测实验去修改他们的方案。比如现在清华大学、上海交大致力于寻找低质量的暗物质粒子,国际上一些组主要探测大质量的暗物质粒子。如果我们准确地知道了暗物质粒子的质量,那地下实验就会变得比较明确了,究竟是找怎样的暗物质。

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  “天下武功唯快不破”

  记者:只要有湮灭我们就能发现吗?

  常进:不一定能发现,必须要积累到一定的量以后才能发现。这跟仪器的灵敏度有关系,仪器灵敏度越高,就能发现越微弱的湮灭。我们的暗物质卫星即使找不到,也不代表这种方法未来找不到。“天下武功唯快不破”,做物理就是越灵敏,才越有可能有发现。

  记者:你们在与美国合作的南极气球试验中已经发现了一些高能电子的异常,并且于2008年在《自然》(NATURE)上发表了文章,但是还不能确定这些异常是否来自暗物质,对吗?

  常进:对,我们现在也不能确定。现在还没办法排除该异常的新类别天体物理辐射源或者是宇宙射线传播过程中所致的可能性。

  记者:我们的暗物质卫星怎么能够排除其他天体的干扰呢?

  常进:第一是提高能量分辨和空间分辨的本领。第二要降低本底,就是把观测到的信号,与大量的宇宙射线区别开来,降低宇宙射线背景。第三就是提高灵敏度。降低背景,提高分辨率,还有就是把探测器做得足够大,都是提高灵敏度的方法。这三个物理指标比别人的高,就证明我们的探测器比人家先进。现在我们在能量分辨方面领先,还有就是我们的探测器达到了世界上同类设备的最高能段。

  记者:暗物质卫星有四个探测器,请通俗地介绍一下这四个探测器的作用?

  常进:通俗地解释,就是我们这个探测器最主要能够测高能粒子的能量、方向和电荷,以及具备鉴别粒子的本领,这是我们当初建造这个探测器的初衷。我们设计的探测器从顶部到底部都是围绕这三个物理量和粒子鉴别去设计的。四个探测器组合在一起使用,找暗物质需要各方面的信息。

  记者:从科学设想到变成一颗科学探测卫星,这个过程是怎样的?

  常进:这个过程也不是那么容易。第一,国际上暗物质的探测已经热起来了,我们这种方法也能够用来间接探测暗物质,这是国家选择我们的原因,也是最主要的原因。第二,就是我们有一定的技术基础,这两点是导致我们能够将设想变成一颗科学探测卫星的原因。我们做空间探测这一行25年了,有很长的技术积累。

  记者:中国的暗物质卫星研制费用仅仅是美国FERMI望远镜和阿尔法磁谱仪的1/7和1/20。我们在这么少的经费下能够做出来,是不是也是想了很多办法?

  常进:是。关键就是不浪费。什么叫做不浪费?不浪费时间,技术路线不走弯路就是最大的省钱。其实我们用的技术都是世界上最好的成熟的技术,也都是我们有基础的技术,没采用我们尚未完全掌握的技术。

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  打开新窗口,阳光就会照进来

  记者:您对于这次发射的暗物质卫星的期待是什么?

  常进:我现在期待它工作正常就行了。只要卫星工作正常,就为我们打开了一扇新的窗口,阳光就会照进这个窗口来。

  我们这个暗物质卫星,只是瞄准暗物质可能产生的一种现象,也就是暗物质粒子湮灭或者衰变的时候它会产生的一些高能粒子,这叫间接法。至于间接法能不能找到暗物质,我现在也不能告诉你。我可以告诉你的是,尽管暗物质粒子探测器最主要的目标是去找暗物质,但是这个探测器本身就是一个望远镜,一旦打开这扇新的窗户,必然有好多新奇的现象。究竟这个新奇的现象是逮到了暗物质还是其他的一些新的天文、物理现象我们还不清楚。

  记者:究竟观测到了什么就表明是暗物质?

  常进:它发现的任何东西对我来讲都是很新奇的,但是对于判断暗物质,由全世界的理论物理学家说了算。我们会发布对伽马射线、宇宙射线的高精度测量结果。实际上,伽马射线谱线,高能电子的能谱,高能正电子的能谱,伽马射线空间的分布等都可以用来研究暗物质。

  记者:有的专家说现在已经在发现暗物质的边缘,丁肇中先生有一次接受采访说还有五到十年就能发现暗物质,您认为还要多长时间才能发现暗物质?

  常进:我认为要确定性地发现暗物质需要全世界相关科学家的共同努力,准确时间难以预计。

  记者:中国现在能够为纯基础科学研究发射一颗卫星,这是否说明中国的基础科学得到了重视?

  常进:尽管中国的科学水平在某些方面和国际上有差距,但我们不能妄自菲薄。国家对基础科学、空间科学予以了高度重视,也是我国科学技术水平已经达到了一定程度的具体体现。只要大家埋头干,中国的科学家会在不久的将来取得一系列重大突破。

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责任编辑: 魏燕
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