探秘中国小卫星家族 暗物质、量子“成员”领跑世界


 发布时间:2020-11-27 11:22:36

“撸起袖子加油干,天上不会掉馅饼。”常进说,这句话就是他的座右铭。——从南极发现的数据存在“异常”,到2008年发出论文,常进经历了7年无休无止的数据分析。ATIC是一个气球试验,相比现在的空间设备,太简单了,加上原初的科学目标根本不是电子,用来观测高能电子存在许多问题,困难很大

新华社记者 金立旺 摄据了解,各国科研团队主要采用三种方法寻找暗物质:第一种是利用粒子对撞设备,看能否在实验中产生暗物质。这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。第二种是在很深的地下挖个隧道,屏蔽地表宇宙射线的影响,捕捉暗物质粒子和普通原子核的碰撞。位于我国四川南部地底深处的锦屏地下实验室就是全球最深的暗物质探测实验室,于2010年投入使用。由清华大学主导的暗物质实验合作组利用一种国际首创的高纯锗探测系统,在一定范围内将暗物质直接探测灵敏度提高到目前国际最高水平。

因为家中兄弟四人,谁吃得慢一点就会吃不饱。这样的生活不光养成了他吃饭快的习惯,也培养了他做事讲究效率且还有些“斤斤计较”的性格。2011年常进成为暗物质卫星首席科学家后,父母在农村一年大约挣两万块钱。“我父亲去世前老为我担心,如果我把卫星搞砸了,泰兴几万户农民一年就白干了。这是我为什么那么小心的主要原因,我们一定要成功,不能浪费国家的科研经费。”常进说。1992年,常进刚从中国科技大学毕业到中科院紫金山天文台空间天文实验室工作时很吃惊,中国的空间天文几乎是一张白纸。

在前沿科学研究领域,这样的对话可能会延续很多很多年,直到多个方向的研究成果反复互证,科学家们才会最终宣布:是的!我们找到了!”在11月27日举行的首批科学成果发布会上,媒体一直在追问常进何时能找到暗物质。对此,常进表示:“我目前的工作是做好卫星数据的搜集与分析工作。确认找到暗物质,一定是个漫长的过程,需全球科学家协力探索。”找到暗物质有什么用?暗物质被称为“世纪之谜”。20世纪初,荷兰天文学家奥尔特等多位科学家相继提出,宇宙中存在发光很弱或者不发光的暗物质。

“这是个机会!”常进意识到,美国选择的南极,是地球上观测高能电子独一无二的窗口。他一遍遍给南极项目负责人发邮件,阐述自己的观测构想。经过一年多验算、证明,这一最初被认为“疯狂”的计划最终得到支持。此后7年,常进3次参与南极观测,在3000多万个宇宙线粒子里成功找到210个超出正常能谱的高能电子。2008年,以常进为第一作者的论文在《自然》杂志发表。在文中,常进论述了电子“超出”可能来自暗物质湮灭,“搭便车”的研究最终获得了国际瞩目的成就。

然而还是有很多人不知道暗物质是什么,研究看不见摸不着的暗物质有什么意义。对此,丁肇中回答:“目的很简单,满足好奇心。研究科学有什么意义?我给你一个具体的例子,上世纪40年代最尖端的是原子物理,30年代最尖端的是研究恒星和太阳系,科学从研究到应用有30年到40年的时间。”事实上,如果没有暗物质,就没有恒星的形成、宇宙的产生。宇宙中90%的物质都看不见,为什么知道它存在?丁肇中说,因为任何一个东西都有轨道。2006年开始的在国际空间站上寻找由反物质粒子组成的宇宙(AMS)实验,是经过激烈竞争后在国际空间站上进行的唯一实验。

但是‘悟空’的表现很好,除了在6月份遇到一次因为太空复杂环境导致的问题,其他基本正常,平时只需要一人监控值班。”常进说得淡定,但其他“师父”们却偷偷告诉记者,那次“悟空”生病,常进急得睡不着觉,还发了低烧。好在对症下药后,“悟空”很快就痊愈了。“悟空”也定期向后方的“师父”们汇报工作。每天清晨和傍晚,当它飞过中国境内,位于密云、喀什、三亚的三个数据接收点就会接收到数据,每天约有13G。这些数据先是汇总到怀柔的地面支撑系统,之后再传回紫金山天文台的暗物质实验室进行分析。

如今悟空号迎来首批成果。常进说,与之前人类发现的结果相比:悟空号的电子宇宙射线能量测量范围,比起国外的空间探测设备有显著提高,拓展了人类观察宇宙的窗口。此外,悟空号测量到的TeV电子的“纯净”程度最高——也就是其中混入的质子数量最少,能谱的准确性高。更值得一提的是,悟空号第一次直接测量到了电子宇宙射线能谱“在1 TeV处的拐折”,常进说,该“拐折”反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线“是否来自于暗物质”起着关键性作用。

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