要看到“看不到”的东西

要看到“看不到”的东西

我暗物质粒子探测卫星年底发射

本报记者  张 晔

“黑夜给了我黑色眼睛 我却用它去寻找光明。”

诗人笔下的理想世界，是从黑暗走向光明；科学家眼光却从光明投向黑暗，即使是这种“暗物质”从未也根本无法被我们所“看”到。

9月29日，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台常进研究员向记者透露：我国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星，将于今年12月在酒泉卫星发射基地发射升空，这是迄今为止观测能段范围最宽，能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器。

这颗卫星的最重要使命是寻找暗物质存在的证据。那么，什么是暗物质？找到它难在哪里？探索它又有何意义？

笼罩在21世纪物理学上空的“乌云”

“每时每刻，都有无数的暗物质粒子穿过我们人体，但是它太弱了，人完全没有感觉。”暗物质卫星总设计师伍健说。

虽然，人的身体忽略了暗物质粒子的存在，但是科学家不能。

因为根据引力效应，天文学家估算出，宇宙由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。在宇宙中占比最多的东西反而是人类最难了解的，这让物理学的天空悬着一朵“乌云”。这些看不见的“大多数”就像披上了隐身衣一样神秘。

为了拨开这朵“乌云”，科学家从20世纪30年代至今，从未停止对暗物质的探索。

一般情况下，凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质，即使它们藏身于最黑暗的角落，只要有光照总能被发现，但暗物质是个例外。

它不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用，它无法用任何光学或电磁观测设备“看”到。人类只能根据万有引力作用推断出它的存在。

暗物质难以探测，还在于它密度小、速度快，难以捕捉。科学家测算，暗物质粒子每秒的运动速度为220千米，是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

李政道先生曾认为，对暗物质的研究将预示着物理学的又一次革命。

科学家们相信，了解暗物质的性质就可能了解更加深刻、基本的物质构成的规律。同时，对于人们理解宇宙中星系、星系团等如何在宇宙演化过程中形成，也具有重要的意义。

找到了暗物质价值多少

“我的确想不出发现暗物质会有什么应用价值，”暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中挠了挠头说，“不过，我倒是曾经鼓励学生努力学习，将来研究成功了可以开个暗物质专卖店。”

他的这番话让人哄堂大笑，也让首席科学家常进联想到上世纪的另一个重大物理学发现。

“当年，爱因斯坦也想不到量子力学和相对论有什么应用价值，但是今天我们每个人用到的手机等通讯设备，哪一个离得开这些科学发现？”

杨振宁先生曾对暗物质作如此表述，所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面可能引出基本物理学中革命性的发展，假如一个年轻人，他觉得他一生的目的就是要做革命性的发展，他应该去学天文物理学。

现在，暗物质被证实存在，已经给人们的观念带来极大的冲击和突破。之前，人们无法想象这种看不见摸不着的物质在宇宙中竟占有如此大的比重。因此，对暗物质的研究和探寻已经成为一个非常热门的话题，甚至就连热门美剧《生活大爆炸》里的男主角“谢大耳朵”也“转行”研究了暗物质。

科学家相信，通过探索“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来，人类最终一定能够了解宇宙的起源。很多物理学家和天文学家已经开始有预感：今天物理学面临的状况与19世纪末、20世纪初诞生相对论和量子力学时非常类似。

“可以说，揭开暗物质之谜，将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃。”国家天文台研究员秦波说。

中国卫星寻找暗物质胜算几何

既然看不见、摸不着、也感受不到，那么寻找暗物质将从哪里入手呢？

范一中说，目前，暗物质粒子存在的证据都是通过引力相互作用发现的。

国际上对暗物质探测方式主要分为三类：一是加速器探测，主要有欧洲核子中心的大型强子对撞机；二是在地下进行的直接探测，我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；三是间接探测，主要在空间进行。

我国暗物质卫星就是采用第三种方式。物理学家们认为，暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对，这些粒子对在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分。暗物质卫星就是收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子，通过其能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据。

中国对暗物质的研究起步较晚，但是进展最快。该项目的首席科学家常进于1998年发现了研究暗物质的新方法，并在美国一项研究中成功；此外，他还帮助日本设计了暗物质探测器。此次，由他主导的中国首颗暗物质探测卫星研究，在观测能段范围、能量分辨率等方面一举超过他国，而费用只有1亿美元，分别是美国Fermi、AMS—02的1/7和1/20。

范一中说，三个探测器各有特色，AMS—02可以区分正反物质，Fermi的探测器面积大，而我们的探测器最厚，可以以很高的能量分辨率测量高达～10TeV的粒子（注：1 TeV=1万亿电子伏特）。

暗物质粒子探测卫星2011年底立项，经过4年的攻关，并在欧洲核子中心测试获得成功，目前进展良好，有望在今年底发射。

进入太空后，它的轨道为太阳同步轨道，高度约500公里，每天传回的数据量约12G字节。地面团队将有100余人对此展开分析研究，首批科学成果将有可能在6个月—1年后发布。

“希望我们也能像NASA（美国国家航空航天局）一样搞出个大新闻来。”范一中说。