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追捕暗物质的“刀客”
2016-01-27 22:12
作者:喻菲
来源: 特写中国
这是一群特殊的“刀客”,在宇宙的黑暗森林中追捕特殊的猎物:暗物质。

科学家认为宇宙的结构与暗物质有关                                 路透社/NASA/ESA

这是一群特殊的“刀客”,在宇宙的黑暗森林中追捕特殊的猎物:暗物质。只是他们还不知道猎物长什么样,何时何地会出现。

宇宙间存在一个巨大的谜团:宇宙的绝大部分质量是人类不可见的。这种谜一样的存在被科学家称为“暗物质”。

暗物质像幽灵,时刻都在穿越人体,而人体却无法感知。如果没有它,星系早已分崩离析,没有太阳、没有地球,也没有你我。

2015年12月17日升空的暗物质粒子探测卫星“悟空”,从500公里外太空发来的信息,源源不断传入中国第一个现代天文学机构——紫金山天文台的计算机中。在这些数字和弯曲的图形中,就隐藏着“刀客”追捕的猎物。

“森林里一定有猎物,但不一定能抓到,如果运气好,一进去就能逮到,至于抓到狗熊还是兔子,现在还不确定。”暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进这样形容对宇宙中失踪物质的寻觅。

宇宙把自己的秘密隐藏得很好。追捕暗物质的“刀客”需要一把“好刀”。科学家把“悟空”,这枚世界上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,比喻为一把好刀,希望通过它探寻到宇宙“幽灵”留下的蛛丝马迹。

“天下武功唯快不破,探测器越灵敏越有可能有发现。”常进说。

揭开暗物质之谜将是继万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大科学突破,从而推动解释宇宙为什么是这样,以及它的始与终。


2015年12月17日暗物质卫星在酒泉卫星发射中心升空           喻菲 摄   中国特稿社

戴眼镜的常进,文质彬彬,对想采访他的记者,总是像暗物质一样“隐藏”起来。而在熟识的人面前,他会不时用江苏泰兴老家的口音讲笑话,把人逗得哈哈大笑。

“悟空”从酒泉卫星发射中心升空后,常进马不停蹄赶到西安、北京怀柔的测控中心。卫星正式向地面传回科学数据的那一天,他发着烧忙碌着。赶回南京后,他把紫台沉浸在成功喜悦中的团队成员训了一通。“还没到享受成功的时候。卫星探测器是成功了,但科学家的任务还没完成。”

他担心着卫星上近八万个小探测器每一个是否都在完美工作,数据是否可靠,计算机的计算存储能力是否够用……

尽管“悟空”的研制费用仅为同类的美国费米卫星和阿尔法磁谱仪的1/7 和1/20,常进却常说,花了这么多钱,要对得起国家。

在紫台建于上个世纪80年代的办公楼一层,员工的娱乐室被改装成卫星初样的组装厂房。各种设备、包装箱挤满了狭窄的楼道。

为避免在食堂吃饭聊天耽误时间,常进每天自己带饭。每晚10点,团队成员要向他提交一份当日报告,他还要按照自己的思路编个程序,把大家的数据再算一遍,检查有没有错误。


揭开暗物质之谜将是继万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大科学突破,从而推动解释宇宙为什么是这样,以及它的始与终。                贺萌 绘图  中国特稿社

或许他已瞥见“幽灵”

常进1992年从中国科技大学研究生毕业到紫台工作。寻找研究方向的他意识到,高能电子、伽马射线是人类观测宇宙的空白。他认为,在研究上不能总跟着美国人、日本人跑,要实现科学探索上的第一次。

观测宇宙高能电子非常困难,需要借助造价昂贵的高性能设备。那时中国还没有财力在基础研究领域有大量投入。试验所需的仪器只能东拼西凑。

“国家没钱,我们必须在方法上创新。”常进提出了独特的空间观测高能电子和伽马射线的方法,不需要那么精细的设备,大大减少了仪器的费用。

1998年他在德国访学时,得知美国要在南极开展名为ATIC的科考项目,观测宇宙线。他发现,ATIC其实还可以用来观测高能电子和伽马射线。“开始,美国人看不起我们,不相信。”于是,他努力说服美国科学家把探测器送到瑞士加速器上试验,证明他的方法可行。

2000年底至2001年初,像足球场一样大的ATIC气球在南极升空,在离地面37公里的高空完成了人类对高能电子的首次观测。


南极ATIC气球科学考察                   路透社 发

在数据分析中,常进发现了奇异现象:高能电子流量远远超出了模型预计的流量。此前,科学界普遍认为,高能电子来源于超新星遗迹,并建立了太阳系高能电子流量模型。

是仪器有问题吗?常进和他的团队花了一年多时间检查仪器,用了很多方法证明仪器没有问题。

于是,他联想到了神秘的暗物质。

他将观测结果与暗物质理论预言的粒子模型相验证,发现两者基本吻合。这种理论认为,暗物质的反物质就是其本身。如果两个暗物质粒子碰撞,就会湮灭并产生高能电子和伽玛射线等高能粒子。如果能监测到不明高能电子和伽马射线,就间接证明有暗物质粒子,并可以研究其物理性质。

此后几年,常进与合作者不断改进设备和观测方法,又在南极进行了3次观测。

掌声与寂寞

为了寻找异常之后的真相,常进陷入近10年无休止的数据分析,未解之谜整天在脑子里抓挠。他夫人发现,回到家的常进,时常神情恍惚,嘴里嘀咕着一些听不懂的数字,突然有个想法,马上就到实验室编程序演算。

ATIC发现的异常究竟是否来自暗物质,还不能排除其他天体的干扰。气球飞得再高,只要在大气层内,高能粒子与大气碰撞就会产生大量“噪音”。要想看得更清楚,必须到太空去探测。

2002年,常进第一份有关太空探测暗物质的报告提交到有关部门,但石沉大海。2003年他再次申请,仍没成功。

这些年,常进还参与了载人航天和探月工程,他带领的团队对神舟系列飞船、嫦娥系列卫星的载荷研发做出过重要贡献,多次获得国家科技进步奖。

赢得无数奖状和掌声的同时,对太空探测暗物质的努力却耐受着寂寞。

但常进坚信,不成功并不意味他的方法不行。暗物质卫星探测器的想法,从2002年就在他的头脑里形成了。他做了无数次计算和试验,随着技术的进步,不断改进细节。

2008年,常进作为第一作者在Nature上发表文章,介绍了有关宇宙高能电子异常的发现。这一发现被美国物理协会和欧洲物理协会评为当年世界物理学领域的重大研究进展。评论普遍认为,该观测如果被证实,将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。这引发了一轮国际探索暗物质的热潮。

2011年中科院受国务院委托,组织实施空间科学先导专项,发展中国的科学卫星。暗物质粒子探测卫星被列为其中之一。

常进实现梦想的机会终于来了。

 
“我只是一名普通的研究人员,机会好才得到这个项目,必须珍惜。”常进说,“我最好奇天上究竟有什么奇奇怪怪的东西。科学试验像一个复杂的游戏,很有趣。但更有趣的是,怎样才能把那么多厉害的人团结在一起做一件事。空间科学项目多么复杂,一个人的作用有限,要靠集体的力量。”


暗物质卫星开始传回科学数据,常进在介绍卫星情况。     金立旺 摄 新华社/中国特稿社

验证“刀客”造出了“好刀” 

手机短信一响,藏京京就紧张地抓起来看。

这位暗物质卫星高级数据产品处理分系统主任设计师的手机,可自动接收紫台机房的监控报警短信。自“悟空”发射后,藏京京每天清晨5点到监控厅上班,晚上接收完数据,还要分析到11点。他时刻惦记着机房里的四个机柜,那里存储着宇宙的核心秘密。

一次,藏京京半夜两点收到报警短信。他匆匆赶到机房,是空调坏了,机房温度已40度,如不及时处理,计算机一旦出问题,存储的数据就有丢失的危险。

计算机屏幕上让外行人感到枯燥的数字和曲线,他却整天看得津津有味。“我们在看人类从未观测过的东西,从中找到物理规律,这是最最让我们感兴趣的。”


藏京京在介绍处理“悟空”数据的高性能计算机,这里正在破解宇宙的黑暗之谜。  喻菲 摄  中国特稿社

“悟空”升空一个月以来,科学家们加紧开展标定工作,这就好比为“悟空”打造出测量宇宙高能粒子的精准“尺子”,每一个刻度都需要最精细的标定。“我们测量入射粒子的精度可以达到头发丝的百分之一量级。只有粒子入射方向测量准确,才能知道这些粒子来自宇宙何方。如果发现暗物质,就能知道暗物质在什么位置。”藏京京说。

数据分析过程很繁琐,但藏京京说:“每研究出一种新的算法可以减小误差提高分辨率,也是一件令人兴奋的事。”

藏京京2011年从中科院高能物理研究所博士毕业,在紫台看到了暗物质卫星的原理样机,认为试验设计非常先进,是很有前途的研究,便加入暗物质卫星项目。

卫星载荷初样曾三次运往欧洲核子研究中心做束流标定。这是中国首次将完整的大型探测器送往欧洲做标定。做束流标定就是要验证“刀客”已经造出了“好刀”。

三次标定藏京京都参加了,每一次都要掉十斤肉。特别是最后一次,人手少,时间紧。由于这次测量的是光子,需要设置磁铁,试验更加复杂。“当时是夏天,磁铁发热,怎么都调不好。我们六七个人三天三夜没睡觉。”最后下了场雨,温度降下来,才终于把磁铁设置好。

“束流试验时间非常宝贵,我们第一次申请有些困难,因为欧洲核子中心对我们不了解,后来得到他们的认可,就越来越顺利,甚至优先排我们。欧洲还没有测量高能段粒子的卫星,所以对我们的卫星也很感兴趣。”藏京京说。

“虽然辛苦,但这是为了追求梦想呀!”


科学家在欧洲核子中心为暗物质卫星做束流标定,也就是验证“刀客”已经造出了“好刀”。  图片由紫金山天文台提供

未被挖过的红薯地

暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健,46岁,高中时代的理想是通过核聚变解决能源问题。他报考中国科技大学时选择了与核物理相关的近代物理系,毕业后留校当老师。他教授的电磁学常常赢得学生的掌声。2008年,他加入常进的团队。

与很多当医生、公司老板的同学相比,搞科研很清贫。“但做自己感兴趣的事,能给我带来满足感。”伍健说。

他认为,高中时的理想有实用性,而寻找暗物质,是探索宇宙秘密。“探测暗物质要有好奇心,要动脑子。如果我们有发现,就是为人类提供了新的知识。”

“想想当年达尔文为何要自费,坐着小船航海呢?一万个人都想不通呀,很多水手都病死了。他确实有种想探究世界是怎么回事,生命是怎么回事的动机。我们也想搞清楚别人不知道的东西。宇宙到底是由什么构成的?”

“科学上我们最关心的就是空白的地方,这是最容易有新发现的地方。好比一片红薯地,别人如果挖过很多遍,我们再去挖,是很难有收获的。”

伍健曾在苏黎世工作过两年,在丁肇中先生的研究团队做数据分析。他认为在国际大型试验中,中国科学家尚无法起到主导地位。“如果有科学发现,文章作者都是几百人。按照字母排序,我的W永远在后面。而现在再辛苦,是做我们自己主导的科学研究。”

2011年底暗物质卫星项目启动以来,伍健再也没有过周末。伍健与常进约好,今年春节大年三十晚上,两人各带两个菜到办公室值班。


伍健在介绍“悟空”探测到的高能粒子数据。  喻菲 摄  中国特稿社

从井底到太空

“我的年龄比我的头发看起来要年轻很多。”38岁的范一中的头顶已有许多白发。

作为暗物质卫星科学应用系统副总设计师,他带领的团队要解读、判断“悟空”探测到的哪些信号可能来自暗物质,或其他有趣的天文现象。

卫星发射时,范一中是在紫台收听发射中心指挥大厅传来的声音。火箭升空后曾有十几分钟没有声音,不知成功与否的他紧张得浑身发抖。

卫星成功开机后,每天数据一传来,他都迫不及待去监控厅看看,尽管目前的数据量还不足以做科学分析。

出生在重庆农村的范一中,兄弟姐妹7人,1992年初中毕业,父母让他读中专,尽早工作。后来在兄嫂的支持下,他去西安读了大学。大学毕业后,他觉得自己更喜欢研究一些高深的东西。“我小时候对文学感兴趣,一直想成为作家。那时候看了很多霍金写的有关黑洞、宇宙起源的书,觉得太神秘了,就考了南京大学天文系研究生,学习天体物理。”

有10年时间,他研究的是伽马射线暴,一种恒星死亡时非常奇特的超新星爆发现象。他的求学之路一发不可收拾,在南大硕士毕业后,在紫台读了博士,然后到美国、以色列、丹麦留学。2010年回到紫台应聘。领导对他说:“你要工作可以,但不能再做伽马射线暴了,要做暗物质,因为暗物质卫星接近立项,领导都很重视这个项目。”

从此,他迷上了暗物质。“它的确太神秘了。它最吸引我的地方就是我们现在对它几乎一无所知。它究竟有多重,寿命有多长,还有哪些物理属性,都不知道。探索一种完全未知的东西更具有挑战性。”

“什么时候能找到暗物质?谁都无法回答。也许是在明天,也许是几年后,也许真的只是也许。”

“我们不知道是不是足够幸运,能找到暗物质。主流的物理学家认为在这个能量段范围内最容易发现暗物质,但是他们是不是对,就很难说了。”
 
但他相信卫星一定会在某些方面有激动人心的发现。“我们的卫星就算找不到暗物质,对于其他奇异天文现象研究,也会有重要发现。”


这张图模拟了宇宙中星系团呈网状分布,而暗物质在这样结构的形成中发挥了作用。 美联社 发

范一中说,他的头发是暗物质卫星立项后白的。

2011年底卫星立项,团队可以招人了,他却发现根本招不到合适的人,国内暗物质人才非常少。“我慌了,长期失眠,做梦都在想队伍怎么办。”

好不容易招来的人,又要走。他尽了最大努力挽留,但还是离开了。

“我心里那个难受真是没法形容,唉。也不能怪他们,还是跟体制有关。中科院有很多优惠政策引进人才,但在国内为项目拼命干的优秀人才,却享受不到这些政策,必须在国外待上三五年,回来才可能有好位置。”

暗物质湮灭和衰变的证据主要从高能电子和伽马射线里找,如果幸运,伽马射线能透露暗物质在哪里。范一中听说广西大学有个硕士,非常擅长处理伽马射线数据,第二天就飞去广西大学,把他请来。

几年下来,范一中的团队终于组建起来。这些年他和学生都没有节假日。有一年的大年三十,大家还在推公式,在邮件中讨论到凌晨两点。“要做成一件事不是某个人的功劳,也不是少数几个人的功劳,是整个群体的功劳。”

曾有很多学校邀请范一中去工作,给更好的工资待遇,但他从没动摇过。“我觉得这个机会真的难得。这是中国第一颗天文卫星,我们的的确确开辟了中国空间天文事业,总得有人去探路。如果有轰动世界的大发现真的很好,如果没有,只要做出有意义的科学产出,也是问心无愧。对于人的一生,即便是国外很著名的科学家,一生也只有一次这样的机会,真的要珍惜。”

为了支持范一中的研究,他的夫人辞职,当了全职太太。“我有一个幸福的家,一个调皮可爱的儿子,对我来说,人生的最高奖励已经得到。”

从小时候家庭贫困,连大学都没打算上,一步步走到今天探索不可见的宇宙,触及人类认知的边界,范一中认为自己像坎井之蛙,开始只识井口大的天,跳出井来,发现天地之大,逐步拓宽了自己的理想和追求。

人类所知的所有浩瀚星海,只占宇宙的5%,在宇宙的绝少部分里,有颗尘埃般的蓝色星球,在这星球上,有一群范一中这样的人,怀着对隐藏宇宙的浓厚好奇,不计得失享乐,夜以继日地忙碌着,为破解宇宙的黑暗之谜。

 

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