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中國第一顆暗物質粒子探測衛星悟空號“取經”記
當天,在眾多媒體和閃光燈的包圍下,中國科學院院長白春禮院士也沒有掩飾自己在這種時刻該有的興奮、激動,他說:“今天是一個非常重要的日子,也許在人類科學發展的歷史上,大家會記住今天。”
“因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者,逐漸走到了舞臺中央。中國科學院、中國科學家長期以來在基礎科學前沿的投入和付出終于有了突破。”白春禮說。
當然,悟空號用其前半生所帶來的突破,可能還需要人類再“消化”一陣子——28億高能宇宙射線,150萬25GeV能量以上的電子宇宙射線,國際上精度最高的電子能譜,以及人類第一次直接“看到”電子宇宙射線能譜在1 TeV處的“拐折”,等等——國際天文學界、物理學界已經“炸開了鍋”,夜以繼日地計算、分析。
12年:“更大的探測器”從無到有
從某種意義上說,這530天就像一場驚心動魄的“獵捕”行動,而在悟空號登入太空獵場之前,則是漫長的等待和驗證。
這一切,還要從常進多年前的一次氣球實驗說起。
那是一次中美聯合實驗,地點在南極。在當時的實驗中,常進所使用的探測器,已經能夠測量非常高的能量,他發現了一個奇怪的現象:有一個能量段,大家都認為其計數率應該“下降”,但測量的結果卻顯示為“超出”,也就是不降反增了。
一石激起千層浪,科學家反復討論:這個奇異現象的背后是否隱藏著暗物質的存在?
遺憾的是,常進當時所獲得的數據太少,置信度不高,因此“無法完全確定”。
到了2005年,吳季來到常進的辦公室,那是兩人第一次相見。常進把這個故事講給吳季聽,并把那條“奇怪的曲線”翻出來給他看。
吳季至今記得,常進當時“非常激動”,“他說,如果能做一個更大的探測器,并把它放到衛星上,他就一定能夠斷定,奇怪的東西是不是暗物質湮滅產生的高能粒子?”
這一幕發生在12年前。那之后,就迎來了人們所熟知的悟空號“出爐記”。
當然,整個過程并不容易。悟空號身上最核心和最重的部分是一個名為“BGO”的晶體量能器。在論證階段,吳季曾問過常進,為什么用BGO晶體——“太重了,很燒錢”,如果用其他的,整個衛星可能會輕一點。
常進回答得很干脆,用,一定要用。
他告訴吳季,在中科院硅酸鹽所,有一個技術工人,可以造出世界上最長的BGO晶體,如此一來,就可以大大提高探測效率,“將年化為月,將月化為周,如此,就可能趕在外國人之前發現暗物質”。
這一點,暗物質衛星工程總設計師艾長春頗有體會。
在接觸悟空號之前,艾長春主要從事應用衛星的研制,對比兩者,他發現,悟空號這樣的科學衛星,從事的是空間科學研究,屬基礎科學研究范疇,其產出就是科學發現,而科學發現“只有第一,沒有第二!”
在接受中國青年報·中青在線記者采訪時,他反復念叨一個詞:“機會”。“機會很重要,很關鍵,很難得!大家都在做同一件事,你把握不住機會,沒有在第一時間得到世界認可的科學發現,那么你過去所有的努力基本上都是沒有意義的”。
艾長春說,就我國而言,科學衛星的發展,雖然已有了較好的大環境,但畢竟“機會”不多,“如果失敗,再來一次可就不容易了”。
2016年3月,悟空號飛天不到3個月,中科院國家空間科學中心即組織專家對衛星進行在軌測試總結評審,當時給出的指標評定為“100分”。如今,悟空號在軌將近兩年,常進說,“所有探測器性能和剛發射時一樣,依然是100分的狀態!”
未來:或有下一顆悟空號誕生
或許,外行人很難想象,悟空號的視力究竟要多強,才能稱得上“火眼金睛”?
常進說,悟空號可以對5 GeV到10 TeV之間的電子、伽馬射線實現“經濟適用型”觀測。
這是什么概念?1 GeV是10億電子伏特,1 TeV是1000GeV,即1萬億電子伏特。拿人眼來做類比,后者所能接收到最敏感的可見光能量,僅僅為2電子伏特——10000000000000∶2。
常進說,悟空號平均每秒就能“捕捉”60個高能粒子,相當于平均每天500萬個高能粒子。如此取到的“真經”,用人們所熟悉的數據量來計算,每天就有16 GB。
盡管截至目前,這些數據還沒能回答人們最關心的那個問題:到底暗物質存不存在。
這就涉及一個深層次的追問,即人類為何要耗費巨資來做這些“可能得不到答案”甚至“一無所獲、風險很大”的研究。
印格致就此講了粒子物理學研究歷史上那個著名的故事——
物理學家羅伯特·威爾遜,是著名的高能物理研究中心費米實驗室的第一位主任,有一次接受美國國會的詢問。一位參議員問他:費米實驗室的研究成果,是否可以用于增強國防?
威爾遜的答案很直接:成果無法用于國防。
這位參議員很不解,繼續追問,威爾遜于是解釋:研究粒子物理,與我們如何看待彼此有關,與人類的尊嚴有關,與我們對于文化的熱愛有關——雖然粒子物理與國防沒有直接關系,但它讓我們更想保護自己的國家!
這樣的問答在印格致看來,已足以證明人類需要盡全力去解答“我們為何在宇宙中存在”這樣宏大的問題——這也是為何我們要投資基礎科學研究。
事實上,自20世紀以來,重大基礎前沿領域的科學發現,已經逐漸由科學家的自由探索,轉為國家資助的、有組織的定向基礎研究。白春禮說,在這種背景下,前沿研究主要依靠兩大設施,一是地面上的大科學裝置,另一個是空間的科學探測儀器。
這些僅靠個人興趣已很難企及,必須依賴政府公益性的投入——這個過程中,那些富有遠見的、敢冒險的投入顯得十分可貴。
2011年1月,中科院啟動實施空間科學先導專項,其總體目標是在“最具優勢和最具重大科學發現潛力”的科學熱點領域,通過自主和國際合作科學衛星計劃,實現科學上的重大創新突破。
悟空號就“誕生”于這個先導專項。
常進告訴記者,未來不排除有下一顆悟空號面世的可能——這一切還要看當下這顆衛星“后半生”的表現。他說,第二批成果預計明年年底出爐。
當然,探索過程中也并非沒有意想之外的收獲。
印格致說,高能粒子物理研究中產生的技術,就改變了我們操縱世界的方式。比如,所謂互聯網概念,正是源于粒子物理學家對于快速便利共享信息的需求,如今這項技術幾乎是每個人都離不開的。
中國青年報·中青在線記者 邱晨輝 來源:中國青年報 ( 2017年12月04日 12 版)
編輯:周佳佳
關鍵詞:悟空號 “取經”記