首席科学家详解暗物质卫星“悟空”

暗物质卫星“悟空”已经发射升空，作为我国首颗专门从事基础科学研究的卫星，即将展开科学任务。图片来源：dpnc.unige.ch

12月17日，暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉发射升空。

不同于以往我国发射的其他卫星，这是首颗专门用于基础科学研究的探测卫星。“悟空”的探测目标也不像“嫦娥”和“玉兔”那样清晰明了，它要寻找的是一种天文学家几乎肯定它存在，却没有人确切知道它是什么的东西——暗物质。

从上世纪30年代起，天文学家就从观测中陆续找到了一些证据，暗示宇宙中物质的质量远远大于所有可见物质的总和。比如，他们发现银河系里千千万万颗恒星的运动速度大于预期，如果没有更多的东西施加额外的引力，银河系本身就会被甩得分崩离析，根本不能凝聚成形。再比如，星系团之类的庞大天体能够弯曲星光，扭曲并放大背后更遥远星系的影像，通过这种引力透镜效应，天文学家发现星系团的质量远远超出其中发光物质的总和。于是，天文学家假设宇宙中存在一类看不见的物质，称它们为暗物质。结合现有的天文观测证据，天文学家普遍相信，宇宙中暗物质的质量大约是普通物质的5.5倍。

那么，暗物质到底是什么？这个问题，到现在为止都还没有确切答案。主流理论认为，暗物质可能由一大类粒子构成，它们被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）。

不同于构成我们身体及周边所有物品的基本粒子，这些暗物质粒子本身质量较大，却不参与任何电磁相互作用。不要小瞧这一“绝技”。归根到底，我们看得见、摸得着、尝得出、闻得到、听得清身边的其他东西，都是电磁相互作用在其中贡献力量的结果。所以，完全不参与电磁相互作用的WIMP粒子，就相当于是粒子世界中本领高超的隐身胖子，既看不见，也摸不着，更不要说用其他感观去感受它了。

对于这些擅长隐身的暗物质粒子，科学家有用什么办法来探测它们呢？

一种办法是主动创造这些粒子。根据爱因斯坦的质能方程E＝mc2，能量和质量是等价的，在一定条件下可以相互转换。如果把足够高的能量浓缩在极小的空间体积之内，就像科学家在大型强子对撞机里进行的粒子碰撞实验一样，这些能量就会转化为各式各样的粒子四散奔逃，被科学家设置在周边的各类探测器记录下来。如果能量足够高，理论上，这样的碰撞有可能产生出暗物质粒子——而暗物质粒子是隐身的，无法被周边的探测器记录到。于是，在科学家看来，这场粒子碰撞中就会有很大一部分能量不翼而飞。如果发生这样的能量失踪案，便可以为暗物质粒子的存在提供直接证据。

另一种办法是守株待兔。暗物质粒子可以说是无处不在，每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛。当然，由于它们隐身能力超强，我们对此毫无知觉。不过，根据理论，这些粒子仍会参与弱相互作用。这种力与电磁力不同，只能在原子核内部发挥作用。因此，尽管暗物质粒子是隐身的，并不意味着它们就可以横冲直撞而不受任何阻挡。就像是荒不择路的兔子一样，它们也有可能一头撞上原子核这个“树桩”。被暗物质粒子撞上的原子核会发光发热，或者被撞得偏离了原来的位置，这些光和热还有位置移动是科学家有可能探测到的。只可惜，原子核太小太小，暗物质粒子撞上去的几率低到几乎可以忽略。科学家只能采用一个笨办法，准备好一大片森林等兔子来撞。他们在巨大的探测器里装上大量反应物质，等待过路的暗物质粒子碰巧撞上其中某个原子核。当然，为了尽可能排除其他粒子撞上原子核而产生的干扰，科学家往往把这样的暗物质探测器深埋在地下，让厚厚的岩层把不会隐身的其他粒子尽可能屏蔽在外面。

第三种办法，那就是等这些隐身的粒子自行现身。某些理论预言，当两个暗物质粒子相遇时，它们会相互湮灭，产生出高能的伽马射线，或者产生出高能的正反粒子对。这就好像两个隐身人在相遇的一瞬间，突然脱去了隐身斗篷，不只变成两个普通人，甚至还发出了耀眼的光芒。不论是伽马射线，还是普通的反物质粒子，都是可以直接探测到的。如果科学家在暗物质集中的地方探测到了过量的伽马射线，或者在宇宙中探测到了来源不明的高能反物质粒子，它们就有可能来源于反物质粒子的湮灭，从而给反物质的存在提供间接的证据。不过，由于这些信号无法很好地穿透地球大气层，用这种方法来间接寻找暗物质的探测器，必须被发射到地球以外才能够发挥作用。

今天发射升空的“悟空”暗物质探测卫星，采用的便是这第三种办法，到太空中探测高能粒子和伽马射线，期望从中能够找到暗物质存在的证据，并推断出它们的某些性质。

暗物质卫星首席科学家常进在欧洲核子研究中心（CERN）。图片来源：中科院国家空间中心

即将发射之际，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基地接受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。

要找的“人”，还不知长什么样

记者：天文观测证据已经基本上肯定有暗物质的存在，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，还是要弄清它的性质？

常进 ：是为了弄清它的性质。我们知道宇宙中有一些不发光的物质，但这些不发光的物质是什么，现在并不清楚。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160千米，但是现在观测太阳的速度大概每秒240千米。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 ：暗物质产生于宇宙大爆炸。至于为什么会有暗物质，目前还不清楚。这也是暗物质探测这么热门的原因，因为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 ：是因为在理论上，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什么，我们就很容易找到它。打个比方来说，我们要去找一个人，只知道这个人可能存在，但这个人穿什么衣服，长什么样子，我们根本不清楚。只能通过排除法，从一些可疑的迹象去筛选。

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，但是讨论最为广泛的一个模型是弱相互作用大质量粒子。在许多新物理理论中，可以自然地引入这样的粒子。但暗物质究竟是不是这样的粒子，我们还不清楚。目前还有一些其他的理论模型，比如轴子、惰性中微子，或者更大质量的很奇异的粒子。

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 ：搞科学不是靠运气，但是具体发现什么，确实有一些运气的成份在里面。我们不确定暗物质是什么，连基本的物理性质都没有弄清楚，这是最主要的不确定性。我们已经知道暗物质寿命长、不发光、不与其他物质相互作用。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。

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。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：暗物质粒子湮灭或衰变后的产物，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：暗物质的湮灭经常发生吗？

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，那就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，这里所说的“附近”，实际上指的也是3亿亿千米这样的距离。

根据最新的天文学观测，宇宙中我们看得见摸得着的普通物质，或者说重子物质（黄色），约占宇宙总质能密度的4.9%，而暗物质（蓝色）约占26.8%，远远超出普通物质。剩余的68.3%是更加神秘的暗能量（灰色），推动宇宙正加速膨胀。图片来源：inspirehep.net

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，以及到太空间接观测3种方法。这3种方法之间是什么关系？也会互相印证吗？

常进 ：这3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，它的质量超过现有加速器的能量上限，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，也会指导地下的直接探测实验去修改他们的方案。比如，清华大学、上海交大目前致力于寻找低质量的暗物质粒子，国际上一些科研团队主要探测大质量的暗物质粒子。如果我们准确知道了暗物质粒子的质量，那地下实验的目标就会变得比较明确。

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，并于2008年在《自然》上发表了文章，但还不能确定这些异常是否来自暗物质。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，与大量的宇宙线区别开来，降低宇宙线背景。第三就是提高灵敏度。降低背景，提高分辨率，把探测器做得足够大，都是提高灵敏度的方法。这3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，而且我们的探测器达到了世界上同类设备的最高能段。

记者：这其中，最难的是什么？

常进 ：降低本底。这跟具体方法有关系，我们只能说，在某些波段本底降低得比较明显，但是在低能方面，与美国安置在国际空间站的阿尔法磁谱仪相比，还达不到他们的水平。毕竟，人家花了20亿美元，用了那么多新的技术。

记者：暗物质卫星有4个探测器，请通俗地介绍一下这4个探测器的作用？

常进 ：我们这个探测器最主要的本领，是测量高能粒子的能量、方向和电荷，以及鉴别粒子的种类，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3个物理量和粒子鉴别去设计的。4个探测器组合在一起使用，能够为寻找暗物质提供所需的各方面的信息。

暗物质卫星结构图，从上到下依次是塑闪阵列探测器，硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。图片来源：dpnc.unige.ch

记者：你的科学设想如何实现变成一颗科学探测卫星？这个过程是怎样的？

常进 ：这个过程并不容易。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，我们有一定的技术基础。这两点是我们能够将设想变成一颗科学探测卫星的原因。探测暗物质或者暗能量，要一步步做出来，要靠脚踏实地地去干。很多人都说我的运气比较好，我承认，但他们没看到我们做空间探测这一行25年了，有很长的技术积累。天上不会掉馅饼，没有那么多年的吃苦，在实验室里摸索和积累，不可能将科学设想变成一颗科学卫星。

记者：中国的暗物质卫星研制费用分别是美国费米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。不浪费时间，技术路线不走弯路，就是最大的省钱。我们使用的技术，都是世界上最好的成熟技术，也都是我们有基础的技术，没有采用我们尚未完全掌握的技术。

打开新窗口，阳光就会照进来

记者：对于这次发射的暗物质卫星有什么期待？

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。

如果指望暗物质卫星一下子就能把暗物质准确找到，这个期望太高了。我们这颗暗物质卫星，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，我现在也无法告诉你。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，必然会看见好多新奇的现象。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。对我们天文学家来说，最重要的是要做一个可靠的仪器，高分辨率的仪器，这样我们打开的这扇窗就不会是模模糊糊的，会看到一些很清晰的物理构成和物理现象，这是最关键的。

在暗物质这种前沿问题上，它的基本物理性质还没有弄清楚，谁都不能保证百分之百一定就能找到暗物质。这就是暗物质研究在国际上这么热，但是到目前为止还没有什么新的进步的原因。目前为止我们弄清楚的一点，就是高能电子有异常。这种异常究竟是不是来自于暗物质，我们不清楚，但我们这颗暗物质粒子探测器也不是盲人摸象，而是因为确实发现了异常，我们才要做出一个这样的探测器，打开一扇新的窗口，去看看究竟是怎样的现象。弄清楚了这个异常，就是一个很大的成果。

暗物质是科学前沿，对于我们来讲，暗物质探测是技术上的挑战，也是一次机会。抓住这个机会，不一定是为了实现寻找暗物质的目标，而是做一个高精度的探测器，这是我们的目标。至于发现暗物质还是其它的，倒不是我本人关心的，可能是我们试验分析数据的科学团队最关心的。对我来讲，最关心的是这个仪器能不能成功，因为这是回报国家的。只要这个仪器是成功的，对国家肯定是有贡献的，我们的技术又迈上了一个新台阶。

期待暗物质粒子探测卫星顺利工作的科学家。图片绘制：贺萌

记者：究竟观测到了什么就表明是暗物质？

常进 ：实际上我们也不是很清楚，我们作为观测学家，或者实验物理学家，只能说把这个仪器做好，它发现的任何东西对我来讲都是很新奇的。但是判断暗物质，要由全世界的理论物理学家说了算，理论物理学家都认为它是暗物质，那么就是暗物质。我们会发布对伽马射线、宇宙线的高精度测量结果。实际上，伽马射线谱线、高能电子能谱、高能正电子能谱，伽马射线空间分布等，都可以用来研究暗物质。

记者：暗物质卫星还可以探测宇宙线，伽马射线，这些又能解答什么问题？

常进 ：本来它就是一个宇宙线望远镜，除了暗物质外，它还可以找到宇宙线和伽马射线。我们可以去研究宇宙线的起源、传播和加速。宇宙线发现了将近100年，但是宇宙线的物理起源，究竟那么高能量的宇宙线来自于什么，人类到现在也没有弄清楚，这是很奇怪的。

记者：暗物质粒子湮灭产生的能量，以及宇宙线，如果我们将来对它们研究清楚了，是否可以加以利用？

常进 ：首先要弄清它的物理性质，至于未来它有什么样的用处，现在还不好说。量子物理刚发现时，人们认为这一点用处都没有，但是现在什么都跟量子物理有关系。我们现在的宇宙探索，只有弄清暗物质的物理本质以后，才能说它对未来产生什么作用，但是物理的进步会导致科技的进步，这是百分之百肯定的。

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5到10年就能发现暗物质，你认为还要多长时间才能发现暗物质？

常进 ：我认为要确定性的发现暗物质，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。以前我们和国际上差得太多了，人家跟我们讨论都不讨论。今天在一些领域，我们和国际同行平起平坐。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。（编辑：Steed）