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口述：常進(jìn)（中科院紫金山天文臺(tái)） 整理：科學(xué)大院（ID：kexuedayuan） 常進(jìn)：中科院紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)，研究員，中國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家（資料圖） 今天很高興有機(jī)會(huì)在這里，把暗物質(zhì)的情況給大家分享一下。給大家簡(jiǎn)單介紹一下什么叫暗物質(zhì)，暗物質(zhì)是怎么發(fā)現(xiàn)的，相關(guān)的構(gòu)成，以及如何探測(cè)暗物質(zhì)，國(guó)際目前最新的探測(cè)暗物質(zhì)的情況是什么樣的等。 我們是天文觀測(cè)者，唯一的特長(zhǎng)是用望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)。所有的問題，我們都希望能通過望遠(yuǎn)鏡看清楚，希望通過物理的探測(cè)，研究它物理的本質(zhì)。 打個(gè)比方，我們的工作就像人口普查，只不過為了弄清地球上人口的分布情況，我們可能是通過造一個(gè)望遠(yuǎn)鏡到天上去，晚上來(lái)觀測(cè)地球表面的發(fā)光情況，根據(jù)光亮的大小，把人口估算出來(lái)。 可是沒有亮光，是不是就沒有人呢？通過發(fā)光的方法研究人口，其實(shí)不一定準(zhǔn)確。 回過頭來(lái)，我們講暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。 測(cè)量物質(zhì)的分布，其實(shí)跟剛才一樣，也可以通過發(fā)光的方法。消除了距離的不確定因素、發(fā)光的多少、強(qiáng)度的大小，就可以把整個(gè)天體的質(zhì)量大概的估算出來(lái)。 我們把這個(gè)問題引入到更宏觀，測(cè)量天體的質(zhì)量。其中一種方法是測(cè)量天體的發(fā)光度，根據(jù)發(fā)光的強(qiáng)度算出來(lái)發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量。還有一種方法，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量或者天體的質(zhì)量，即是去測(cè)量速度和距離的關(guān)系，把速度和距離測(cè)出來(lái)了，天體的質(zhì)量就可以測(cè)出來(lái)。 人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)的時(shí)候，把人造衛(wèi)星到地球的距離測(cè)出來(lái)，人造衛(wèi)星在該距離上的速度測(cè)出來(lái)，地球的質(zhì)量就測(cè)出來(lái)了。衛(wèi)星離地球遠(yuǎn)的時(shí)候，速度會(huì)慢下來(lái)，離地球近，速度會(huì)很快。當(dāng)我們觀測(cè)到如果人造衛(wèi)星離地球很遠(yuǎn)的時(shí)候，它還保持那么高的速度的話，人造衛(wèi)星肯定要跑出地球，進(jìn)入太陽(yáng)系。如果速度再大，它就可能飛出太陽(yáng)系。 上世紀(jì)三十年代，瑞士天文學(xué)家Fritz Zwick在研究Coma星系團(tuán)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中的星系彌散速度非常大，根據(jù)維里定理計(jì)算出的星系團(tuán)的總質(zhì)量要遠(yuǎn)大于根據(jù)發(fā)光度計(jì)算出來(lái)的星系團(tuán)質(zhì)量。也就是說星系的運(yùn)動(dòng)速度太快了，僅靠星系團(tuán)中的發(fā)光物質(zhì)是束縛不住速度如此大的天體的。他推測(cè)星系團(tuán)中存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)，并稱之為暗物質(zhì)。 小朋友弄一個(gè)球，繞著繩子轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的速度越來(lái)越快，球肯定要飛出去，道理是一樣的。 當(dāng)時(shí)測(cè)量星系的速度，光譜儀的測(cè)量精度還不是很高，盡管他當(dāng)時(shí)提出了暗物質(zhì)的想法，但是并沒有得到大家的認(rèn)可，大家認(rèn)為有可能是系統(tǒng)誤差，測(cè)不準(zhǔn)。 過了三四十年，到上世紀(jì)70年代，美國(guó)有一個(gè)女天文學(xué)家Vera Rubin（她除了諾貝爾獎(jiǎng)外，已經(jīng)得到了物理學(xué)上所有的獎(jiǎng)）。她當(dāng)時(shí)觀測(cè)速度采用的是世界上最先進(jìn)的光譜議，測(cè)量的誤差很小，也就是說測(cè)量技術(shù)沒問題。 她觀測(cè)的不是星系團(tuán)，而是星系里面恒星和其他星際物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，隨著距離的增加，速度往下降。但是她發(fā)現(xiàn)實(shí)際觀測(cè)中，距離增加時(shí)，速度并沒有往下降，跟萬(wàn)有引力相差比較大。 星系里面這些物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度太快了，光靠發(fā)光物質(zhì)的引力無(wú)法將恒星束縛在星系里面。如果質(zhì)量的分布就是發(fā)光物質(zhì)的分布的話，這些物質(zhì)早就跑到星系外?，F(xiàn)在沒有這樣，這說明星系里面必然存在大量的看不見的物質(zhì)，也就是暗物質(zhì)，其產(chǎn)生的引力才能將這些物質(zhì)束縛在星系里。 這個(gè)就是暗物質(zhì)的概念。從上世紀(jì)70年代開始，漸漸得到了人們的認(rèn)可。 這位女天文學(xué)家早期研究的是星系成群還是隨機(jī)分布?，F(xiàn)在我們知道，存在大量的看不見的暗物質(zhì)，首先形成網(wǎng)，像引力井一樣，可見物質(zhì)掉到引力井里面，漸漸形成了恒星、星系、星系團(tuán)，星系團(tuán)肯定是成團(tuán)分布的，宇宙網(wǎng)的基點(diǎn)上是星系團(tuán)。 這些認(rèn)識(shí)現(xiàn)在得到了大家的認(rèn)可，但是在上世紀(jì)50年代，她博士論文中的這個(gè)結(jié)論，卻15年沒有得到認(rèn)可，因?yàn)榘凑债?dāng)時(shí)的理論分析，星系應(yīng)該是隨機(jī)分布的，均勻分布的星系是不會(huì)成團(tuán)分布的。 銀河系里面的恒星有四大旋臂，這些恒星都在臂上，并不是在星系里面均勻分布，也是成群、成團(tuán)的分布?，F(xiàn)在這些問題很容易解釋，在那個(gè)時(shí)代，還沒有人發(fā)現(xiàn)。研究星系旋轉(zhuǎn)曲線，得到了暗物質(zhì)概念，基本上她算成功了。 其實(shí)，她發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)之前，一個(gè)丹麥天文學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)了銀河系里面的恒星旋轉(zhuǎn)，其速度并沒有隨著距離的增加而降低，而是保持不變。但他認(rèn)為可能是測(cè)量的問題，可能是系統(tǒng)誤差，他盡管發(fā)表了，但是沒去解釋暗物質(zhì)，從其他方面去解釋的。 這告訴我們，在研究過程中，一些看似不起眼的蛛絲馬跡，很可能會(huì)導(dǎo)致重要的發(fā)現(xiàn)。對(duì)一些特殊的現(xiàn)象，要深入的研究，而不是簡(jiǎn)單的把它放過去。 我們?cè)倏刺?yáng)系。按照發(fā)光物質(zhì)的分布，太陽(yáng)與銀河系的中心大概是8KPC（編者注：KPC，千秒差距，天文學(xué)上量度距離的單位，1KPC等于一千個(gè)秒差距或者3260光年）的距離，推斷出來(lái)的速度是每秒160公里，而最新的測(cè)量數(shù)據(jù)是每秒240公里。也就是說，理論上發(fā)光物質(zhì)的分布得到的速度要高50%，太陽(yáng)系必須存在大量的看不見的暗物質(zhì)，否則太陽(yáng)就飛出銀河系。 剛才是旋轉(zhuǎn)曲線，人們認(rèn)為牛頓的萬(wàn)有引力定律，可能在宇宙學(xué)的尺度上存在問題，要得到距離和速度的關(guān)系，我們可以通過修改萬(wàn)有引力定理得到曲線。 星系發(fā)光物質(zhì)的分布，當(dāng)然可以通過錢德拉望遠(yuǎn)鏡把它觀測(cè)出來(lái)。 研究?jī)蓚€(gè)星系的質(zhì)量分布，我們還可以通過另外一種方法，引力透鏡。 今年年初引力波很轟動(dòng)，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，光線在引力場(chǎng)中不是沿直線傳播的，而是會(huì)有一定彎曲。根據(jù)光線的彎曲的大小，可以把質(zhì)量分布測(cè)出來(lái)。 兩個(gè)星系團(tuán)碰撞時(shí)，暗物質(zhì)不發(fā)生相互作用，有沒有物質(zhì)，產(chǎn)生的速度一樣。但是普通物質(zhì)和普通物質(zhì)之間存在著相互作用，所以它走的慢一點(diǎn)。這樣就形成了一個(gè)只包含暗物質(zhì)的區(qū)域，這樣的觀測(cè)結(jié)果是無(wú)法用修改引力的方法很好的解釋的。 世界上沒有一個(gè)容器能把暗物質(zhì)裝起來(lái)，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)不發(fā)生任何相互作用，任何東西都擋不住暗物質(zhì)。想把它抓住，不可能，它會(huì)從你的身上溜走。這種觀察技術(shù)出來(lái)以后呢，基本上暗物質(zhì)越來(lái)越受到大家的認(rèn)可。 宇宙中95%的是看不見的物質(zhì)——暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占宇宙的總能量密度的27%，人類只弄清了宇宙的5%（即可見物質(zhì)）。 根據(jù)當(dāng)前的觀測(cè)技術(shù)，基本上可以把暗物質(zhì)的物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)出來(lái)，不發(fā)光，密度大。可見物質(zhì)是5%，暗物質(zhì)是可見物質(zhì)的5倍，27%。暗物質(zhì)壽命長(zhǎng)，它來(lái)自于宇宙大爆炸，現(xiàn)在已經(jīng)138億年，如果暗物質(zhì)的壽命很短的話，它早就衰變了，不存在了。 由于標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有基本粒子，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，所有的基本粒子我們都找到了，沒有一個(gè)基本粒子與暗物質(zhì)粒子相匹配，標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的粒子都不滿足這些性質(zhì)。也就是說，如果我們找到了暗物質(zhì)粒子，它肯定不在標(biāo)準(zhǔn)模型里面，這也就意味著現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的物理學(xué)模型會(huì)得到突破。這也是為什么暗物質(zhì)這么熱。 宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的，這是愛因斯坦講的，他完成了廣義相對(duì)論，說出了這一段話，通過廣義相對(duì)論，他認(rèn)為能把整個(gè)宇宙了解了。但是他把這個(gè)話說早了，現(xiàn)代宇宙還沒有完全理解，因?yàn)榘的芰亢桶滴镔|(zhì)還沒弄清楚，宇宙到現(xiàn)在為止，還是不可以理解的。 現(xiàn)在是一個(gè)探測(cè)暗物質(zhì)的時(shí)代，把暗物質(zhì)弄清楚，肯定會(huì)導(dǎo)致物理學(xué)革命。 怎么探測(cè)呢？有三種方法。 第一種是在加速器上模擬宇宙大爆炸。 加速器探測(cè)就是通過高能粒子碰撞，模擬宇宙大爆炸，將暗物質(zhì)粒子打出來(lái)，然后去探測(cè)，這比較容易理解。 人們弄清楚了高能粒子都是可見的，通過可見的高能粒子碰撞，產(chǎn)生看不見的暗物質(zhì)粒子。 世界上最大的加速器在瑞士，有兩個(gè)大的實(shí)驗(yàn)裝置，一個(gè)是ATLAS，一個(gè)是CMS，這兩個(gè)設(shè)備都耗資10億元以上，用來(lái)探測(cè)最高能的基本粒子。在暗物質(zhì)問題上，已經(jīng)工作了五六年了，還沒有取得任何革命性的進(jìn)步。對(duì)暗物質(zhì)不同的模型，提出了一些限制，但是沒有根本性的找到暗物質(zhì)粒子。 第二種方法，在地下直接探測(cè)。即在地下直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子與普通原子核碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。 暗物質(zhì)粒子和普通原子也許會(huì)存在碰撞，就像兩個(gè)小球碰撞一樣。暗物質(zhì)不可見，但是暗物質(zhì)和普通的原子核碰撞以后，普通的原子核會(huì)動(dòng)起來(lái)，如果原本靜止的原子核動(dòng)了一下，就可能是暗物質(zhì)碰撞引起的。這種方法就是通過探測(cè)暗物質(zhì)粒子與普通原子核碰撞產(chǎn)生微弱信號(hào)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。 為什么要到地底下去呢？ 我必須把本底加上。 其一是我們的地面上，使用的一般材料里面都有很微量的放射性元素，這些放射性元素衰變的時(shí)候，發(fā)出的能量范圍和暗物質(zhì)粒子碰撞范圍一樣。 其二是宇宙線，天上隨時(shí)隨地有大量的高能粒子飛到大氣里面，高能粒子和大氣作用，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子，這些次級(jí)粒子也是暗物質(zhì)粒子探測(cè)的本底。 把宇宙射線本底屏蔽掉，必須放在地底下。放的越深，宇宙射線產(chǎn)生的本底會(huì)越低。這種實(shí)驗(yàn)很熱，韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣都有這樣的實(shí)驗(yàn)去探測(cè)暗物質(zhì)。 我們國(guó)家將在錦屏山地下建世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)。我們國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室深2500米。它不是往地底下去，而是在高山打隧道，在隧道里面建實(shí)驗(yàn)室。在四川的錦屏山雅礱江，為了建這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，打了一個(gè)隧道，穿過錦屏山。 如果我們要探測(cè)暗物質(zhì)跟原子核的碰撞，現(xiàn)在有三種物質(zhì)可用于實(shí)驗(yàn)，一種是半導(dǎo)體硅，讓硅原子和暗物質(zhì)碰撞。另一種是氙氣，氙是惰性氣體，大氣里面會(huì)存在微量的氙。還有氬。 假設(shè)暗物質(zhì)的質(zhì)量是120個(gè)氫原子核，一個(gè)人是50公斤，每秒鐘是5億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過你。如果是一個(gè)GeV呢，提高10倍，每秒鐘有50億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿過你。不要害怕，如果穿過你，和你發(fā)生影響了，我們?cè)缇吞綔y(cè)到暗物質(zhì)粒子了，現(xiàn)在探測(cè)不到就是因?yàn)樗湍銢]有發(fā)生任何相互作用，我們找不到。 探測(cè)方法有兩種，一種是時(shí)間調(diào)制法，一種是事例搜尋。 地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)是圓圈，太陽(yáng)繞銀河系也在轉(zhuǎn)。從銀河系里面假定一個(gè)暗物質(zhì)風(fēng)，不停的吹出來(lái)。春天，暗物質(zhì)風(fēng)和地球運(yùn)動(dòng)的方向是一致的。秋天是相反的，繞了一圈，有時(shí)跟暗物質(zhì)同向，有時(shí)跟暗物質(zhì)反向。 這就好比如果你和人群是同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，你每秒鐘碰到的人數(shù)基本上不變；如果和人行的方向相反，不停的碰到不同的人。因?yàn)槟闩龅降陌滴镔|(zhì)粒子一年四季不一樣，會(huì)看到一個(gè)調(diào)制現(xiàn)象，春天多，秋天少。根據(jù)時(shí)間變化，我們可以找到暗物質(zhì)。根據(jù)一年四季碰到的暗物質(zhì)粒子的數(shù)目不一樣，探測(cè)變化的曲線，這是時(shí)間調(diào)制法。 我們中國(guó)科學(xué)院高能物理所和羅馬的幾個(gè)大學(xué)合作，在意大利探測(cè)到了調(diào)制曲線。春天、夏天、冬天溫度是變化的，濕度是變化的。由于溫度濕度的變化，大氣的變化，都會(huì)產(chǎn)生這些調(diào)制現(xiàn)象。調(diào)制究竟來(lái)自于暗物質(zhì)，還是來(lái)自于一年四季氣侯的變化，現(xiàn)在還沒有弄清楚。 現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)做調(diào)制，是一個(gè)放在南半球，一個(gè)放在北半球。如果看到的調(diào)制是一樣的，基本排除了細(xì)微的變化。 但是時(shí)間調(diào)制法需要很長(zhǎng)時(shí)間，這個(gè)實(shí)驗(yàn)做了八年，到現(xiàn)在還沒有得到認(rèn)可，也許過一段時(shí)間，能得到肯定的結(jié)論。 我們剛才講了，所有的本底來(lái)自宇宙射線和材料，通過材料、集團(tuán)到地底下，把本體降為零，如果來(lái)一個(gè)信號(hào)，肯定來(lái)自暗物質(zhì)粒子。無(wú)法區(qū)分的本底，通過探測(cè)器的技術(shù)把它區(qū)分開。原子核動(dòng)一下是一個(gè)能量，把能量轉(zhuǎn)變成光信號(hào)、電信號(hào)、熱信號(hào)，通過探測(cè)光、電、熱來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。也就是說，把暗物質(zhì)粒子碰撞的原子核能量轉(zhuǎn)變成光信號(hào)、電信號(hào)、熱信號(hào)，通過光的變化、電的變化和溫度的變化探測(cè)暗物質(zhì)粒子。這是臺(tái)灣在使用的技術(shù)，不是新的技術(shù)。要是把三種技術(shù)組合在一起，我們可以把暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的反射原子核的信號(hào)和宇宙線本底區(qū)分開來(lái)，探測(cè)暗物質(zhì)粒子。 把暗物質(zhì)粒子碰撞原子核產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)變成光、電和熱信號(hào)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。這樣的我們有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)是清華大學(xué)的，把暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。另一個(gè)是上海交大的，是讓暗物質(zhì)粒子和大氣里面的惰性氣體原子核碰撞，原子核動(dòng)一下會(huì)發(fā)光。把探測(cè)器加上強(qiáng)電場(chǎng)，通過探測(cè)光和電兩個(gè)信號(hào)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)粒子。 世界上那么多實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)粒子，目前為止，沒看到具體的信號(hào)，只給出了一個(gè)下限。一般的探測(cè)器100公里內(nèi)探測(cè)到，說一下100公里有多少原子，我可以把暗物質(zhì)碰撞的概率算出來(lái)。這是一個(gè)截面，碰撞的概率，現(xiàn)在到10的負(fù)45次方，還沒有找到它。人們認(rèn)為再過四五年時(shí)間，把實(shí)驗(yàn)室做得更大一點(diǎn)，或許就能探測(cè)到概率更低的信號(hào)。 第三種是到空間間接探測(cè)。到空間去間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子在與暗物質(zhì)粒子碰撞以后，會(huì)產(chǎn)生看得見的粒子，通過探測(cè)這些看得見的粒子去探測(cè)看不見的暗物質(zhì)粒子。我國(guó)去年發(fā)射的暗物質(zhì)粒子衛(wèi)星“悟空”就屬于這一種，待會(huì)兒詳細(xì)介紹。 天上的本底很多，天上的高溫粒子太復(fù)雜了，什么樣的高溫低密度的都有，通過探測(cè)什么樣的粒子能探測(cè)暗物質(zhì)粒子？ 首先想到探測(cè)反物質(zhì)粒子，因?yàn)榉次镔|(zhì)粒子來(lái)自于原初粒子碰撞產(chǎn)生的次級(jí)粒子，也就是原初粒子，與星際界體、與物質(zhì)作用才會(huì)產(chǎn)生反粒子。在天上的質(zhì)子是最多的高能粒子，但是反質(zhì)子很少，只有質(zhì)子的萬(wàn)分之一。 暗物質(zhì)粒子湮滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子，如果通過產(chǎn)生粒子探測(cè)暗物質(zhì)粒子，本底大概高6萬(wàn)倍，如果反粒子，本底很低，容易探測(cè)到。但是怎么探測(cè)反粒子？通過磁場(chǎng)。帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的方向，可以定住帶電粒子的電的極性。 在天上放一個(gè)強(qiáng)大磁場(chǎng)是很難的事，人類花了十幾年時(shí)間，希望在天上放一個(gè)超導(dǎo)體，到現(xiàn)在為止，都沒成功。這次上天的并不是一個(gè)超導(dǎo)磁鐵，而是一個(gè)普通的永久磁鐵?？偟闹亓渴?噸，要把一個(gè)7噸重的東西送到天上去是很難的事，耗資也很大，大概耗資20億美元。 永磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠強(qiáng)，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的限制，高能粒子增加的時(shí)候，偏轉(zhuǎn)角度越來(lái)越小，以至于測(cè)不出來(lái)，到300個(gè)GeV的時(shí)候，偏轉(zhuǎn)角就測(cè)不出來(lái)了，把偏轉(zhuǎn)的方向測(cè)反了的大概是10%。10%不是一個(gè)很大的數(shù)目，但是我剛才講了質(zhì)子和反質(zhì)子相差1萬(wàn)倍，10%也就是讓你的本底一下提高了1000倍，顯然測(cè)量方法會(huì)受到能量限制，隨著能量的增加，這種方式不現(xiàn)實(shí)，不能用磁譜儀，我們必須尋找另外的方法。 另外的方法怎么探測(cè)暗物質(zhì)？ 尋找一些特征信號(hào)，比如說伽瑪射線譜線，如果落在GeV以上，探測(cè)到伽瑪射線譜線，這就是暗物質(zhì)粒子最強(qiáng)的證據(jù)，因?yàn)闆]有其他的天體物理過程能在GeV以上產(chǎn)生伽瑪射線線譜。 第二個(gè)是高能帶電粒子的電子頻段。其實(shí)它也是一個(gè)譜線。由于高能粒子在銀河系里面?zhèn)鞑サ臅r(shí)候，銀河系里面有磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中傳播它會(huì)轉(zhuǎn)彎，會(huì)產(chǎn)生能量。銀河系里面有大量的背景光，尤其電子跟背景光發(fā)生相互作用。高能電子在銀河系傳播，你看到的不是一個(gè)線譜，而是一個(gè)連續(xù)譜，它的能譜有一個(gè)，這個(gè)截?cái)嗑褪前滴镔|(zhì)粒子的質(zhì)量，暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能電子的能量不能超過這個(gè)質(zhì)量，這是暗物質(zhì)粒子的特征。 我們知道銀河系里面的物質(zhì)分布是盤狀的，如果我探測(cè)到伽瑪射線譜線，分布是球狀的，也可以是云狀的，這也是暗物質(zhì)產(chǎn)生的強(qiáng)烈證據(jù)。普通的物質(zhì)是盤狀的，不可能產(chǎn)生云狀的伽瑪射線分布，只有暗物質(zhì)和暗物質(zhì)相互作用的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生。銀河系里面的暗物質(zhì)分布和普通物質(zhì)不一樣，它是球狀分布或者云狀分布。 最近的觀測(cè)有了一些進(jìn)展，地下有進(jìn)展，沒看到信號(hào)，天上看到了信號(hào)，但是沒辦法判斷這些信號(hào)來(lái)自于暗物質(zhì)，還是來(lái)自于特殊的天體物理構(gòu)成。AMS看到天上的正電子隨著能量的增加，并沒有下降，而是在上升。多出來(lái)的正電子來(lái)自哪兒？可能是暗物質(zhì)，也可能是我們沒弄清楚的特殊的天體物理過程。 十幾年以前，我們?cè)谀蠘O放了氣球，觀測(cè)到宇宙的電子譜和宇宙線模型相比，也有一個(gè)超出，超出的部分來(lái)自哪兒，也不清楚。 我們看到了一些信號(hào)，反電子、正電子、電子與宇宙線模型相比，有一些超出?？吹搅税滴镔|(zhì)六個(gè)特征里面的五個(gè)，最關(guān)鍵的沒看到?，F(xiàn)有的探測(cè)器由于儀器的靈敏度的限制，或者是分辨的限制、能力的限制，沒辦法把六個(gè)特征全部探全。 一般的磁譜儀到了300個(gè)GeV的時(shí)候，粒子不多了，我們希望用一個(gè)新的探測(cè)器，測(cè)量能段要比AMS-02高10倍以上，把天上的本底區(qū)分開來(lái)。這就是提出暗物質(zhì)衛(wèi)星的依據(jù)。 為什么提出這個(gè)項(xiàng)目？現(xiàn)有的所有的天上的儀器無(wú)法給出一個(gè)確切的結(jié)論：究竟有沒有暗物質(zhì)？它在哪兒？物理性質(zhì)是什么？由于它們能力的限制，沒辦法有明確的進(jìn)展，我們必須造一個(gè)新的探測(cè)器上天。 我國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，名字叫悟空，英文名字是DAMPE，是尋寶游戲里面的關(guān)鍵人物，要找到寶貝，必須要找到DAMPE，只有它靈敏，才能把寶貝找出來(lái)。我們給它取名DAMPE，希望悟空像DAMPE領(lǐng)著我們找到暗物質(zhì)粒子。 科學(xué)院每五年在天上放幾個(gè)衛(wèi)星研究空間科學(xué)的前沿科學(xué)問題（編者注：即中科院空間先導(dǎo)專項(xiàng)），我們是第一批項(xiàng)目者。 衛(wèi)星軌道是500公里高，離地球表面500公里，太陽(yáng)同步軌道降交點(diǎn)地方時(shí)為6點(diǎn)30，什么意思呢？早上6點(diǎn)30進(jìn)入上空，晚上6點(diǎn)30是回來(lái)的時(shí)間，每一個(gè)地方是固定的。重量是1850公斤，功耗600瓦，每天大概搜集到16GB的數(shù)據(jù)。是去年發(fā)射的。 這個(gè)探測(cè)器并不是我們紫金山天文臺(tái)一家單位完成的，由五家單位聯(lián)合研制，紫金山天文臺(tái)、高能物理所、近代物理所、國(guó)家空間科學(xué)中心和中國(guó)科技大學(xué)。還包括了國(guó)際合作，我們邀請(qǐng)了瑞士的大學(xué)和意大利的大學(xué)，參加我們暗物質(zhì)衛(wèi)星的研究。 探測(cè)器由四個(gè)部分組成。 塑閃陣列探測(cè)器是一米平方的大的塑閃陣列。 硅徑跡探測(cè)器是高能物理所和瑞士大學(xué)、意大利大學(xué)聯(lián)合研制的。 BGO量能器是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和紫金山天文臺(tái)研究的。 還有一個(gè)中子探測(cè)器，是由紫金山天文臺(tái)研制的。 這四個(gè)探測(cè)器組織在一起，它是高空間分辨和高能量分辨的高能粒子、伽瑪射線無(wú)線望遠(yuǎn)鏡。我們一般用的望遠(yuǎn)鏡是筒子一樣的，但跟它的波段不一樣，如果光子擴(kuò)散的波很長(zhǎng)，像無(wú)線電波段，望遠(yuǎn)鏡就不是一個(gè)波了，你家的電視天線就是一部望遠(yuǎn)鏡。到了高能粒子的望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡不是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，是高能粒子探測(cè)器，人得到高能粒子的能量方向，作用和望遠(yuǎn)鏡一樣，不是我們通常所說的望遠(yuǎn)鏡。 整個(gè)探測(cè)器有75916路子探測(cè)器，什么概念呢？我們國(guó)內(nèi)最大的加速器是北京譜儀，北京譜儀上所有的子探測(cè)器加在一起才4萬(wàn)多，我們這個(gè)探測(cè)器有7萬(wàn)多路子探測(cè)器。我們這么復(fù)雜的探測(cè)器必須把它裝在1米見方的小空間，重量是1噸，有很大的難度。 “悟空”的探測(cè)對(duì)象是高能電子、伽瑪射線和宇宙射線質(zhì)子和重核成分等。望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量是有能量范圍的，除了暗物質(zhì)以外，我們還可以研究宇宙射線起源。人類發(fā)現(xiàn)宇宙射線也有100年了，但是它究竟來(lái)自于哪種天體，還不清楚。宇宙射線的起源到現(xiàn)在為止，還是一個(gè)未解之秘，也是一個(gè)前沿科學(xué)問題。 我們通過測(cè)量高于GeV的高能電子，可以知道它的來(lái)源，為什么？當(dāng)?shù)靥綔y(cè)到的高能電子一般來(lái)自于附近的天體，不可能太遙遠(yuǎn)，太遙遠(yuǎn)的地方的高能粒子傳播不過來(lái)，在地球上看到的是來(lái)自于附近，但是GvE以上的高能電子來(lái)自于很近的源，發(fā)散于附近，很微弱的，這地方有百分之幾的變化。如果你能看到這樣的變化，也就是相當(dāng)于看到了無(wú)盡的宇宙射線源，這也是一個(gè)很重要的前沿問題，“悟空”也可以研究伽瑪射線天文，它本身就是伽瑪射線的望遠(yuǎn)鏡。 暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，可以探測(cè)電子、伽瑪射線、質(zhì)子事例，每個(gè)事例都有四個(gè)物理量，能量、方向、電荷和時(shí)間，把它組成12個(gè)信號(hào)，可以解決所有的科學(xué)問題。 探測(cè)器的研制是一件比較復(fù)雜的事情，上空間的東西經(jīng)過三個(gè)階段。第一個(gè)是方案階段，第二個(gè)是初樣階段，第三個(gè)是正樣階段。方案階段必須要證明你的方法可行。在初樣階段，證明你研制的探測(cè)器能在天上工作，在地球經(jīng)過嚴(yán)酷的環(huán)境實(shí)驗(yàn)，證明這個(gè)探測(cè)器在天上能工作。正樣階段是把探測(cè)器重做一遍。 我們的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是2011年12月立項(xiàng)，電性件是小型的暗物質(zhì)粒子探測(cè)器，在地面證明能正常工作，然后拿到歐洲去標(biāo)定一下，證明你的方法可行，才能進(jìn)入初樣階段。 初樣階段，就是要研究和它一樣大的探測(cè)器。但是通過這樣的探測(cè)器證明你的探測(cè)器能在天上嚴(yán)酷的環(huán)境能生存下來(lái)，要做各種各樣的實(shí)驗(yàn)，溫度實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等等。實(shí)驗(yàn)全部通過了，才可以做一個(gè)樣機(jī)。 我們的探測(cè)器要滿足暗物質(zhì)探測(cè)，提出了很高的指標(biāo)，動(dòng)態(tài)范圍。什么叫動(dòng)態(tài)范圍？探測(cè)器從最弱的信號(hào)到最強(qiáng)的信號(hào)要覆蓋得寬，我們的覆蓋寬度是18萬(wàn)倍，最低的能量到最高的能量之間差距是18萬(wàn)倍，是世界上動(dòng)態(tài)范圍最大的探測(cè)器。 探測(cè)器是1.06噸，整個(gè)衛(wèi)星重量1.9噸，暗物質(zhì)粒子探測(cè)器是1.45噸。里面有616支光電倍增管，616路高壓電纜，1848路信號(hào)電纜，4.5萬(wàn)個(gè)高壓焊點(diǎn)，16塊電子學(xué)板，92只接插件，136路熱電，就是測(cè)溫度的溫度計(jì)，48路也是測(cè)溫度的，這個(gè)精度高一點(diǎn)。要把這么多東西裝在一個(gè)很小的空間里，是一件很困難的事，用了很多的時(shí)間。 分壓板有兩個(gè)硬幣這么大，這么小的板子沒有什么高技術(shù)，但是我們要把它做好。18萬(wàn)倍的動(dòng)態(tài)范圍，最主要的就是由分壓板來(lái)保的。 我們有兩個(gè)教室，定了30個(gè)版本，花了一年半時(shí)間才把它做好。但是要把它配合到一起，滿足18萬(wàn)倍，是很困難的事。 我們做了大量的實(shí)驗(yàn)，做了30版，每次追8000個(gè)問題，再提高，再改。我們還要委托日本的公司一起做，花了一年多的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)我們的動(dòng)態(tài)范圍比日本人更大一點(diǎn)。 看上去很簡(jiǎn)單的一件事，把它送上天要做很嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，保證你的性能達(dá)到指標(biāo)，才能把它送上天，否則你前面的工作全是白費(fèi)。 接著是電性件研制。需要做一個(gè)小的探測(cè)器，大部分是中國(guó)科技大學(xué)的學(xué)生完成的，但是老師先把它設(shè)計(jì)好，學(xué)生把它制出來(lái)。制出來(lái)一個(gè)小型的樣機(jī)，相當(dāng)于暗物質(zhì)粒子探測(cè)器的八分之一的大小。2012年7月，我們?cè)谀暇┻M(jìn)行測(cè)試。 除了進(jìn)行工程樣機(jī)的制作，還要做一個(gè)工作，是什么呢？如果探測(cè)器太重了，1噸多重，中國(guó)沒有一個(gè)衛(wèi)星有1噸重，需要我們證明1噸重的東西能夠上天。我們做了結(jié)構(gòu)，用鐵棒模擬它，把所有的外形和上天的面做好。把它放在衛(wèi)星上，跟衛(wèi)星一起，保證衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)候，能夠滿足口徑和震動(dòng)的條件。 鑒定件是工程樣機(jī)，和天上一樣，但是要滿足天上嚴(yán)酷的環(huán)境。 每一個(gè)板子做好以后，不能立即裝上去，經(jīng)過18.5次的高低溫循環(huán)，保證板子的性能不變，才能裝在探測(cè)器上。一塊小的電路板要經(jīng)過16個(gè)工序才能做好。幾十個(gè)工人干了一個(gè)月。做好了以后，拿回到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)進(jìn)行安裝測(cè)試。測(cè)試完了以后，還要跟晶體進(jìn)行配對(duì)測(cè)試，把它匹配好。 宇宙線陣列測(cè)試也是在中科大。每一個(gè)線路板都要經(jīng)過18.5次的熱循環(huán)，從零下25度到零上45度，證明它能碰撞。由于有8000多根電纜，全部在1米見方里面安排好，否則就亂套了。把它編成一個(gè)辮子，怎么編，都要測(cè)試。測(cè)試通過了，發(fā)現(xiàn)能工作，我們?cè)僬嬲_始干。 2013年12月30日，我們開始做樣，前面的預(yù)備工作都準(zhǔn)備好了。工人們把它梳理好，編成辮子，把插頭裝上去。測(cè)試完了，再把電路板繞上去。 2014年臘月二十八，還有兩天過年，我們才把初樣制好，工人回去過年。從正月初三開始，我們?cè)倩貋?lái)進(jìn)行測(cè)試。總裝以后，所有的機(jī)構(gòu)再測(cè)試一遍。噪聲水平達(dá)到要求，每層的均勻性達(dá)到要求，還有天上的宇宙線的測(cè)試。 全部完成了，我們從2月份開始把它運(yùn)到上海去進(jìn)行磁測(cè)試，因?yàn)樾l(wèi)星上有磁的傳感器，如果你的探測(cè)器有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，會(huì)影響其他的衛(wèi)星沒辦法正常工作。就跟手機(jī)一樣，你的手機(jī)不能影響別人的手機(jī)，但是別人的手機(jī)打開的時(shí)候也不能影響你。我們的探測(cè)器發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)不能影響別人，別人的無(wú)線電信號(hào)不能影響我們，這叫電磁兼容。 太陽(yáng)光照到的時(shí)候，衛(wèi)星的溫度高，太陽(yáng)照不到的時(shí)候，衛(wèi)星的溫度低，衛(wèi)星的溫度每天都在變化。為了模擬這個(gè)變化，我們的探測(cè)器必須拉到一個(gè)箱子里，這是一個(gè)房間，從上噴液，把溫度降下來(lái)，底下通過電爐把溫度升上來(lái)，要做13.5次循環(huán)，證明你的東西能碰撞，從零下60度到零上60度。 我們還要把探測(cè)器拉到真空里面，這個(gè)真空桶大概有三層樓高，模擬在真空的情況下，溫度再變化，你的探測(cè)器能不能正常工作，我們總共花了1個(gè)月的時(shí)候，從3月1日到4月3日把實(shí)驗(yàn)做完。 2014年4月份，我們把指標(biāo)再測(cè)試一遍，證明給專家看，我們的東西能夠通過天上嚴(yán)酷的環(huán)境正常工作，然后把它交付衛(wèi)星。 在交付衛(wèi)星之前，還要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，把它組合成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，要進(jìn)行測(cè)試，你不能影響別人，別人也不能影響你，你要和別人配合工作。 4月20日，我們把它運(yùn)到上海，裝在衛(wèi)星上，把實(shí)驗(yàn)再做一遍，到8月份，又花4個(gè)月的時(shí)間，把實(shí)驗(yàn)重做一遍。把它裝到衛(wèi)星上，要重做剛才所有的實(shí)驗(yàn)，又花4個(gè)月的時(shí)間。一直到2014年8月底，我們開始進(jìn)行正樣階段的研制。 前段時(shí)間同學(xué)們看新聞，日本人的衛(wèi)星失敗了，最根本的原因是軟件判斷寫的不是很好。我們的軟件總共有3萬(wàn)5千行，一行寫錯(cuò)了，就可能導(dǎo)致衛(wèi)星失敗。日本人沒考慮太全面，導(dǎo)致了衛(wèi)星越轉(zhuǎn)越快，最后把衛(wèi)星轉(zhuǎn)散了。軟件也是在天上很重要的一塊。我們做了測(cè)試，證明軟件的功能。 因?yàn)椤拔蚩铡笔堑教焐蠝y(cè)量光的粒子，所以能不能測(cè)量到，測(cè)量的準(zhǔn)不準(zhǔn)，要做標(biāo)定。我們國(guó)內(nèi)還沒有高能量發(fā)射源或者加速器來(lái)滿足我們衛(wèi)星的條件，我們的衛(wèi)星必須拉到瑞士去，做束流標(biāo)準(zhǔn)。什么叫束流標(biāo)準(zhǔn)？加速器把高能粒子引出來(lái)，打到探測(cè)器上，看探測(cè)器能不能正常工作。 我們的“悟空”號(hào)衛(wèi)星經(jīng)過能量測(cè)量，是世界上最高的水平。方向測(cè)量和世界上最高的水平相當(dāng)。電荷測(cè)量的水平也是和國(guó)際上最高水平相當(dāng)。在上天之前，我們的指標(biāo)基本上達(dá)到世界領(lǐng)先，或者和世界上最高指標(biāo)相當(dāng)。 天上的高能粒子每秒鐘是固定的，你要把暗物質(zhì)的信號(hào)測(cè)到，需要更多的時(shí)間等。 兩年之內(nèi)，我們要做全天覆蓋，每個(gè)角落都要看到，根據(jù)全天的測(cè)量結(jié)果，我們觀測(cè)感興趣的，暗物質(zhì)多的地方，進(jìn)行一年的定向掃描，我們計(jì)劃在年底把第一批科學(xué)結(jié)果向全世界公布。 謝謝大家！ （本文首發(fā)于科學(xué)大院，內(nèi)容整理于常進(jìn)研究員在中科院自然史所的科普?qǐng)?bào)告，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處并保留下方二維碼）  大院熱門文章top榜 點(diǎn)擊文章標(biāo)題，可直接閱讀哦~ 1、為何你不應(yīng)該反對(duì)轉(zhuǎn)基因？百余名諾獎(jiǎng)得主聯(lián)名發(fā)聲 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