中國17日把暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”成功送入太空，這是人類在探索宇宙核心秘密進(jìn)程中邁出的又一重要步伐?！拔蚩铡庇型盟摹盎鹧劢鹁Α碧綔y(cè)到披著“隱身衣”的暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

發(fā)射前，暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長常進(jìn)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心接受了新華社中國特稿社的專訪，詳細(xì)解答了如何到太空探測(cè)暗物質(zhì)以及暗物質(zhì)衛(wèi)星的相關(guān)問題。

要尋找的“人”，還不知長什么樣

記者：目前很多天文觀測(cè)證據(jù)已經(jīng)基本上比較肯定有暗物質(zhì)的存在，那么我們現(xiàn)在發(fā)射暗物質(zhì)衛(wèi)星，是為了進(jìn)一步證明暗物質(zhì)的存在呢？還是要弄清它的性質(zhì)？

常進(jìn)：弄清它的性質(zhì)。我們知道那里有一些不發(fā)光的物質(zhì)，但是這些不發(fā)光的物質(zhì)到底是什么，到現(xiàn)在為止我們不清楚。包括地球附近也有大量的暗物質(zhì)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銀河系里成千上萬顆恒星的實(shí)際觀測(cè)速度要大于理論上的速度。太陽的速度理論上是每秒160公里，但是現(xiàn)在觀測(cè)太陽的速度大概每秒240公里。如果不存在暗物質(zhì)的話，太陽系就應(yīng)該處于銀河系的更外圍，而不是現(xiàn)在這個(gè)位置。

記者：暗物質(zhì)究竟是怎么產(chǎn)生的？為什么會(huì)有暗物質(zhì)？

常進(jìn)：產(chǎn)生于宇宙大爆炸，為什么會(huì)有暗物質(zhì)還不清楚。為什么暗物質(zhì)探測(cè)這么熱？就是現(xiàn)有基本的物理知識(shí)無法解釋暗物質(zhì)。一旦找到暗物質(zhì)，將會(huì)帶來物理學(xué)的革命性突破。

記者：自上世紀(jì)30年代初，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)存在暗物質(zhì)，經(jīng)過這么多年的研究，還是沒有探測(cè)到暗物質(zhì)的明確證據(jù)，是因?yàn)檎业姆椒ú粚?duì)？還是因?yàn)閮x器不夠靈敏？

常進(jìn)：是因?yàn)槔碚撋?，我們根本就沒弄清楚它究竟是什么東西。如果理論上知道它是一個(gè)什么東西，我們就能很容易把它找到。通俗地講，我們?nèi)フ乙粋€(gè)人，只知道這個(gè)人可能存在，但是這個(gè)人穿什么衣服，長什么樣子，我們根本不清楚，只能通過排除法，或者說一步一步篩選，從一些可疑的跡象篩選。

記者：科學(xué)家在尋找暗物質(zhì)的過程中已經(jīng)排除了一些候選者。我們的衛(wèi)星要找的是否就是最多人研究的弱相互作用大質(zhì)量粒子？

常進(jìn)：我們的衛(wèi)星可以尋找弱相互作用大質(zhì)量粒子。暗物質(zhì)的模型太多了，但是一個(gè)討論最為廣泛的模型是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP），在許多新物理模型中可以自然地引入這樣的粒子。但是暗物質(zhì)究竟是不是這樣的粒子還不清楚。目前還有一些其他的理論模型，像軸子、惰性中微子，或者是更大質(zhì)量的很奇異的粒子。現(xiàn)在有關(guān)暗物質(zhì)最主要的問題還沒有弄清楚。

記者：誰都不知道暗物質(zhì)到底是什么，卻要尋找它，這樣的尋找需要運(yùn)氣嗎？

常進(jìn)：肯定要有一定的運(yùn)氣。搞科學(xué)不是靠運(yùn)氣，但是要具體發(fā)現(xiàn)什么，還是有一些運(yùn)氣的成份在里面。最主要的不確定性就是，暗物質(zhì)究竟是什么，基本的物理性質(zhì)都沒有弄清楚。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道暗物質(zhì)長壽命、不發(fā)光、不與其他物質(zhì)相互作用。其他我們只能根據(jù)一些疑似跡象，比如伽馬射線超出，高能電子異常，反質(zhì)子能譜異常等來設(shè)計(jì)探測(cè)器，但是有很多不確定性。

通過“兒子”認(rèn)識(shí)“爸爸”

記者：你們是到太空去尋找暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物，有人把這樣的產(chǎn)物比喻成暗物質(zhì)的兒子，那么認(rèn)識(shí)的一個(gè)人的兒子就能反推出他爸爸的性質(zhì)嗎？

常進(jìn)：從兒子可以得到他爸爸的一些性質(zhì)，不可能得到他爸爸的全部性質(zhì)，只能一步步推，基本上可以得到他的性質(zhì)，因?yàn)橛谢颉?u>如果能夠觀測(cè)到暗物質(zhì)湮滅或衰變的產(chǎn)物，那么暗物質(zhì)的質(zhì)量和其他一些物理性質(zhì)，以及在空間的分布等信息都可以得到。

記者：如果你們觀測(cè)到的是暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變后的產(chǎn)物，它就變成了普通物質(zhì)粒子，是不是普通物質(zhì)都是由暗物質(zhì)變來的呢？

常進(jìn)：現(xiàn)在有一些科學(xué)家從事這方面的研究。一般認(rèn)為普通物質(zhì)和暗物質(zhì)都是在宇宙大爆炸中同時(shí)產(chǎn)生的。因?yàn)榘滴镔|(zhì)的反應(yīng)率這么低，可以很自然地估計(jì)現(xiàn)有的物質(zhì)不可能全是暗物質(zhì)產(chǎn)生的。

記者：暗物質(zhì)的湮滅是經(jīng)常發(fā)生的嗎？

常進(jìn)：如果暗物質(zhì)真的相互間發(fā)生湮滅，那么它每時(shí)每刻都在發(fā)生。但湮滅率太低，人類很難探測(cè)到相應(yīng)的產(chǎn)物。

記者：我們的衛(wèi)星就是探測(cè)附近發(fā)生的湮滅嗎？

常進(jìn)：如果湮滅產(chǎn)生伽馬射線，那么我們可以探測(cè)非常遙遠(yuǎn)的宇宙空間；如果是高能電子只能探測(cè)太陽系的附近區(qū)域，因?yàn)楦吣茈娮拥膫鞑ゾ嚯x不能太長。但要注意這個(gè)地方說的“近”實(shí)際上表征的也是3億億公里這樣的距離。

根據(jù)最新的天文學(xué)觀測(cè)，宇宙中我們看得見摸得著的普通物質(zhì)，或者說重子物質(zhì)（黃色），約占宇宙總質(zhì)能密度的4.9%，而暗物質(zhì)（藍(lán)色）約占26.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通物質(zhì)。剩余的68.3%是更加神秘的暗能量（灰色），推動(dòng)宇宙正加速膨脹。圖片來源：inspirehep.net

記者：現(xiàn)在研究暗物質(zhì)主要通過在加速器上“制造”，在地下直接觀測(cè)和到太空間接觀測(cè)三種方法，這三種方法之間是一種什么關(guān)系？也會(huì)互相印證嗎？

常進(jìn)：這三種方法互為補(bǔ)充，可以互相印證。如果我們?cè)谔焐险业揭环N暗物質(zhì)粒子，如果它的質(zhì)量超過現(xiàn)有的加速器的能量上限的話。那么加速器的能量就必須再提高。同樣如果我們把暗物質(zhì)的質(zhì)量弄清楚了，會(huì)指導(dǎo)地下的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)去修改他們的方案。比如現(xiàn)在清華大學(xué)、上海交大致力于尋找低質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子，國際上一些組主要探測(cè)大質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子。如果我們準(zhǔn)確地知道了暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，那地下實(shí)驗(yàn)就會(huì)變得比較明確了，究竟是找怎樣的暗物質(zhì)。

“天下武功唯快不破”

記者：只要有湮滅我們就能發(fā)現(xiàn)嗎？

常進(jìn)：不一定能發(fā)現(xiàn)，必須要積累到一定的量以后才能發(fā)現(xiàn)。這跟儀器的靈敏度有關(guān)系，儀器靈敏度越高，就能發(fā)現(xiàn)越微弱的湮滅。我們的暗物質(zhì)衛(wèi)星即使找不到，也不代表這種方法未來找不到。“天下武功唯快不破”，做物理就是越靈敏，才越有可能有發(fā)現(xiàn)。

記者：你們?cè)谂c美國合作的南極氣球試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些高能電子的異常，并且于2008年在《自然》（NATURE）上發(fā)表了文章，但是還不能確定這些異常是否來自暗物質(zhì)，對(duì)嗎？

常進(jìn)：對(duì)，我們現(xiàn)在也不能確定?，F(xiàn)在還沒辦法排除該異常的新類別天體物理輻射源或者是宇宙射線傳播過程中所致的可能性。

記者：我們的暗物質(zhì)衛(wèi)星怎么能夠排除其他天體的干擾呢？

常進(jìn)：第一是提高能量分辨和空間分辨的本領(lǐng)。第二要降低本底，就是把觀測(cè)到的信號(hào)，與大量的宇宙射線區(qū)別開來，降低宇宙射線背景。第三就是提高靈敏度。降低背景，提高分辨率，還有就是把探測(cè)器做得足夠大，都是提高靈敏度的方法。這三個(gè)物理指標(biāo)比別人的高，就證明我們的探測(cè)器比人家先進(jìn)。現(xiàn)在我們?cè)谀芰糠直娣矫骖I(lǐng)先，還有就是我們的探測(cè)器達(dá)到了世界上同類設(shè)備的最高能段。

記者：暗物質(zhì)衛(wèi)星有四個(gè)探測(cè)器，請(qǐng)通俗地介紹一下這四個(gè)探測(cè)器的作用？

常進(jìn)：通俗地解釋，就是我們這個(gè)探測(cè)器最主要能夠測(cè)高能粒子的能量、方向和電荷，以及具備鑒別粒子的本領(lǐng)，這是我們當(dāng)初建造這個(gè)探測(cè)器的初衷。我們?cè)O(shè)計(jì)的探測(cè)器從頂部到底部都是圍繞這三個(gè)物理量和粒子鑒別去設(shè)計(jì)的。四個(gè)探測(cè)器組合在一起使用，找暗物質(zhì)需要各方面的信息。

暗物質(zhì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖，從上到下依次是塑閃陣列探測(cè)器，硅陣列探測(cè)器、BGO量能器、中子探測(cè)器。圖片來源：dpnc.unige.ch

記者：從科學(xué)設(shè)想到變成一顆科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，這個(gè)過程是怎樣的？

常進(jìn)：這個(gè)過程也不是那么容易。第一，國際上暗物質(zhì)的探測(cè)已經(jīng)熱起來了，我們這種方法也能夠用來間接探測(cè)暗物質(zhì)，這是國家選擇我們的原因，也是最主要的原因。第二，就是我們有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，這兩點(diǎn)是導(dǎo)致我們能夠?qū)⒃O(shè)想變成一顆科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星的原因。我們做空間探測(cè)這一行25年了，有很長的技術(shù)積累。

記者：中國的暗物質(zhì)衛(wèi)星研制費(fèi)用僅僅是美國FERMI望遠(yuǎn)鏡和阿爾法磁譜儀的1/7和1/20。我們?cè)谶@么少的經(jīng)費(fèi)下能夠做出來，是不是也是想了很多辦法？

常進(jìn)：是。關(guān)鍵就是不浪費(fèi)。什么叫做不浪費(fèi)？不浪費(fèi)時(shí)間，技術(shù)路線不走彎路就是最大的省錢。其實(shí)我們用的技術(shù)都是世界上最好的成熟的技術(shù)，也都是我們有基礎(chǔ)的技術(shù)，沒采用我們尚未完全掌握的技術(shù)。

打開新窗口，陽光就會(huì)照進(jìn)來

記者：您對(duì)于這次發(fā)射的暗物質(zhì)衛(wèi)星的期待是什么？

常進(jìn)：我現(xiàn)在期待它工作正常就行了。只要衛(wèi)星工作正常，就為我們打開了一扇新的窗口，陽光就會(huì)照進(jìn)這個(gè)窗口來。

我們這個(gè)暗物質(zhì)衛(wèi)星，只是瞄準(zhǔn)暗物質(zhì)可能產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，也就是暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變的時(shí)候它會(huì)產(chǎn)生的一些高能粒子，這叫間接法。至于間接法能不能找到暗物質(zhì)，我現(xiàn)在也不能告訴你。我可以告訴你的是，盡管暗物質(zhì)粒子探測(cè)器最主要的目標(biāo)是去找暗物質(zhì)，但是這個(gè)探測(cè)器本身就是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，一旦打開這扇新的窗戶，必然有好多新奇的現(xiàn)象。究竟這個(gè)新奇的現(xiàn)象是逮到了暗物質(zhì)還是其他的一些新的天文、物理現(xiàn)象我們還不清楚。

記者：究竟觀測(cè)到了什么就表明是暗物質(zhì)？

常進(jìn)：它發(fā)現(xiàn)的任何東西對(duì)我來講都是很新奇的，但是對(duì)于判斷暗物質(zhì)，由全世界的理論物理學(xué)家說了算。我們會(huì)發(fā)布對(duì)伽馬射線、宇宙射線的高精度測(cè)量結(jié)果。實(shí)際上，伽馬射線譜線，高能電子的能譜，高能正電子的能譜，伽馬射線空間的分布等都可以用來研究暗物質(zhì)。

記者：有的專家說現(xiàn)在已經(jīng)在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣，丁肇中先生有一次接受采訪說還有五到十年就能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，您認(rèn)為還要多長時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)？

常進(jìn)：我認(rèn)為要確定性地發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)需要全世界相關(guān)科學(xué)家的共同努力，準(zhǔn)確時(shí)間難以預(yù)計(jì)。

記者：中國現(xiàn)在能夠?yàn)榧兓A(chǔ)科學(xué)研究發(fā)射一顆衛(wèi)星，這是否說明中國的基礎(chǔ)科學(xué)得到了重視？

常進(jìn)：盡管中國的科學(xué)水平在某些方面和國際上有差距，但我們不能妄自菲薄。國家對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)、空間科學(xué)予以了高度重視，也是我國科學(xué)技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了一定程度的具體體現(xiàn)。只要大家埋頭干，中國的科學(xué)家會(huì)在不久的將來取得一系列重大突破。