為什么要尋找暗物質

吳晶晶　喻菲　楊維漢

當我們仰望星空，其實只看到了宇宙的冰山一角。科學家將宇宙比喻成一個由三部分組成的大餅：5%的普通物質，27%的暗物質和68%的暗能量。人類所熟悉的普通物質，只是零星散布的些許點綴，就像夜幕中無邊大海上的一點閃光，宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏和最難了解的。

2015年12月17日清晨，數百位科學家、工程師、學生冒著零下15攝氏度的嚴寒來到酒泉衛星發射中心發射現場觀看，他們搓著手、跺著腳，興奮地等待著這一時刻。8時12分，在觀眾的屏息凝視下，長二丁火箭帶著1.9噸重的中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”徐徐升上天空，大地震顫。火箭向東南方向的天空越飛越遠，最后化作天上的一顆星逐漸消失在視野中。

10多分鐘后，“悟空”成功抵達在地球上空500公里高的太陽同步軌道，它將用“火眼金睛”幫助科學家窺探披著“隱身衣”的暗物質，回答現代物理學界最長時間沒有找到答案的深奧之謎。中國科學院國家空間科學中心將暗物質粒子探測衛星命名為“悟空”，取義“領悟、探索太空”。科學家們期待該衛星能在酒泉衛星發射中心“勇敢飛天”。“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡，”暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破。”

“悟空”是中國古典名著《西游記》的主角，其形象家喻戶曉，“美猴王”（MonkeyKing）之稱也在海內外廣為流傳。當日有網友在暗物質粒子探測衛星的官方微博留言稱：“大圣，這一路孤獨無所伴，愿你和千萬年前的那無所畏懼的猴子一樣所向披靡。”

為什么要尋找暗物質？

暗物質，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學家僅知道它們存在，卻無法探測到它們。對常進來說，暗物質就像一個從未謀面的朋友，既親切又陌生。

“宇宙中，我們能看見的物質，都因為帶有電子而能‘發光，我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。而暗物質是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。”常進說，“因此盡管我們周圍存在暗物質，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子，但我們并不能看到或感覺到。”

科學家們認為，暗物質是宇宙大爆炸的產物，在宇宙演化中起著決定性作用，也決定著宇宙未來的命運。同時，暗物質和暗能量的研究在基礎物理學中也有著重要意義，因為科學界公認的粒子物理標準模型僅能解釋占宇宙5%的普通物質，卻無法解釋暗物質和暗能量。

因此，暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵“烏云”。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題，“什么是暗物質”被列在第一位。

科學界公認，揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大飛躍，將帶來物理學的又一次革命。

中科院國家空間科學中心主任吳季說，暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域，全世界的科學家都在不遺余力地尋找暗物質、暗能量及其隱藏的巨大科學寶藏。

暗物質距離人類生活如此遙遠，為什么還要花這么多時間、精力和成本去尋找？科學家們回答，這一方面源自人類對于未知的好奇心和求知欲；另一方面，科學研究的價值和意義雖然有時在短期內無法顯現，但往往能帶來一些“副產品”，給科技和生活帶來變革。

“悟空”怎樣施展“神通”？

暗物質衛星“悟空”的長寬高只有1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。

“它體積雖小，功能卻非常強大。”常進介紹，衛星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（CERN）進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標，表明它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強3大優勢。

衛星系統總設計師李華旺介紹，衛星由4個科學探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，共同構成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起，就像一個四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯合執行任務，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

進入太空后，“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式：在頭兩年采用巡天觀測模式，由于暗物質可能存在于全天區的任何區域，所以第一階段對全天掃描；兩年后衛星轉入定向觀測模式，根據全天區探測的結果分析出暗物質最可能出現的區域，并針對這些區域開展定向觀測。

衛星每天將傳回約16G數據量，地面100余人的科學家團隊將對數據展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年后發布。

在太空創造中國的第一次

自暗物質被發現80多年來，科學家還從未探測到暗物質的明確信號。常進坦言，如果期望暗物質衛星一下就能準確找到暗物質，這個期望指數太高了。暗物質的基本物理性質還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證找到暗物質。

“但只要衛星工作正常，就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口，必然會發現很多新奇的現象。”常進說，“衛星除了尋找暗物質外，還是一個宇宙射線望遠鏡，可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發現了將近100年，但那么高能量的宇宙射線究竟來自于什么？人類到現在也沒有弄清楚，這很奇怪。”

常進說，尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力，何時能發現暗物質尚難以預計。至于發現暗物質后能如何利用，常進介紹，量子物理剛發現時，人們認為一點用處都沒有，但是現在什么都與量子物理有關系。

“我們只有弄清暗物質的物理本質以后，才能說它對未來產生什么作用，但是物理的進步會導致科技的進步，這是百分之百肯定的。”他說。

暗物質衛星工程總師艾長春說，以前中國科學家只能將研制的儀器搭載在其他衛星上開展空間科學研究，發射“悟空”，是第一次由中國科學家主導的大型空間科學實驗。

有專家稱，中國第一顆人造地球衛星發射已有45年，但中國的空間科學衛星還未成系列。現在中國已成為航天大國，要向航天強國轉變，就不能沒有空間科學衛星。

目前中國基礎研究投入占總研發投入比重僅為5%左右，而美國、德國分別為40%、28%。常進說：“以前我們和國際上差太多了，人家跟我們都不討論。今天在某些領域，我們和國際同行平起平坐。只要大家埋頭干，中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破。”