“悟空”號衛星： 發現暗物質存在新證據 ——訪國家空間科學中心主任吳季

中国獲得世界上最精確的高能電子宇宙線能譜

如果沒有暗物質，通常宇宙中高能粒子的分布是逐漸下降的。所以當在太空中確定某一個方向觀測，從那個方向過來的高能粒子會隨著能量譜段的升高越來越少。但若是這個下降的能譜發生異常變化，那麼一定是有新的事件發生。

在暗物質理論發展初期，科學家們沒有想到在這麼高能譜段會有什麼東西，直到2000年以後，逐漸有科學家論證認為在這個能譜段，有可能存在暗物質粒子碰撞湮滅之後產生的明物質。當時在這個能譜段沒有觀測儀器提供數據，這就需要建造專門的探測器。

“後來丁肇中先生就把他原本的反物質探測器阿爾法磁譜儀改造成以暗物質探測為主要目標了。”吳季告訴記者，“他的探測器上天後確實發覺在高能譜段有異常，能譜不像標准物理模型所描述的那樣分布。這個時候，物理學界就開始討論這件事。”

吳季（右）陪同劉延東副總理視察國家空間科學中心（圖：國家空間科學中心）

現任“悟空”首席科學家的常進，當時還只是紫金山天文台的一名研究員。他在南極一個高空氣球上做過一個實驗，也檢測到了一些異常，成果發表後引起了很大的爭議。有的說是暗物質，有的說不是，有的又說儀器測得不准。因為儀器太小、置信度不夠，所以大家不完全相信他的研究成果，於是常進下決心，一定要做個大型的、更准的探測器來證實這件事。

2005年，吳季正在負責“嫦娥一號”有效載荷的研制，常進負責其中的伽馬譜儀射線。一天，吳季走進常進的實驗室。“他打開計算機讓我看他在南極測到的能譜，他非常相信這裡面一定有暗物質。”吳季清楚記得常進當時的興奮和激動，“所以等我們2011年中科院空間科學戰略性先導科技專項立項時，就遴選了暗物質粒子探測衛星。”

2015年12月17日，“悟空”發射升空。在軌工作530多天以來，它的“火眼金睛”共采集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV（1GeV＝10億電子伏特）以上的電子宇宙射線。基於這些數據，科研人員成功獲取了目前世界上精度最高的電子宇宙射線探測結果。

與此前人類已獲取的探測結果相比，第一，“悟空”衛星的電子宇宙射線的能量測量範圍比起國外的空間探測設備有顯著提高，拓展了人類觀察宇宙的窗口。第二，“悟空”衛星測量到的TeV電子的“純淨”程度最高（其中混入的質子數量最少），能譜的准確性高。第三，“悟空”衛星首次測量到了電子宇宙射線能譜在~1TeV處的拐折，該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對於判定部分電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵性作用。

暗物質粒子探測衛星“悟空”首席科學家常進在介紹衛星工作情況（圖：新華社）

此外，“悟空”衛星的數據初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細結構。目前，“悟空”衛星運行狀態良好，還在持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。

中國人总得做点“沒用”的事

“這個項目是有重大意義的！”吳季表示，“太陽系能圍繞銀河系中心轉得這麼快，就是因為有東西在拉著它，這個拉力就是引力，要不然太陽系轉的時候就會飛出去了。可是即使把銀河系的星體都算在一起也沒有那麼大的引力。因此現在判斷，宇宙當中一定有暗物質。”

吳季認定，“悟空”已公布的成果，一定會在歷史上產生影響。“‘悟空’探測出的能譜的跳躍現象是很明顯的，但究竟是什麼東西引起這個變化還不知道，它也可能還不是暗物質。換句話說，這可能引起物理學界繼續修正暗物質的模型。所以‘悟空’的意義在於科學發現，這是中國人在基礎科學領域做的一個重要貢獻。”

在吳季看來，不搞清楚暗物質的存在，科學家們是不會放棄的。“要說探測暗物質有什麼用，現在還真沒什麼用，就是要搞清楚這個道理。”

“中國人總得做點‘沒用’的事啊，總得為取得重大發現做點貢獻吧。”吳季說，“我們的教科書，那些基本定理寫的都是外國人的名字。現在說世界科學中心在向東亞、向中國轉移，未來21世紀是中國人的世紀。可是我們一個原創理論都沒有、一點基礎研究都沒有，就還不能說世界科學中心在向中國轉移。所以實際上，科學衛星的意義在這兒，而不是在於有什麼用。”

中國已經提出到2050年要建設成為世界科技強國。“如果我們沒有基礎科學、沒有幾個諾貝爾獎，可不敢說是世界科技強國。這已經上升成為國家目標了，原來只是說我們中國人應該做這個，現在是國家就要求你必須去做。”

至於怎麼去做，吳季認為現在就要開始布局，只有空間科學衛星、大型加速器和“FAST”望遠鏡這些大科學裝置能夠為科學家做出重大突破提供條件。“現在就憑幾張紙、一支筆，算算就能出來一個理論的情況幾乎不多了。必須要有數據，必須要有實驗，而做這些實驗就必須要有裝置。這一類科研就叫國家投入的有組織的定向的基礎研究領域，如今獲得諾貝爾獎的絕大部分都是有組織定向的基礎研究。”

“我們現在開始培養這一代，可能要到下一代才能出諾貝爾獎。所以我們現在遴選項目的標准一定要是諾貝爾獎級的，不是說一定要求獲獎，但起碼應該是這個級別的突破，要激勵大家往這方面想。中國人也得想一些大問題，而不是只啃啃骨頭、幫別人修修邊邊角角。”吳季指出。

有了自己的科學衛星

才能有一手的科研數據

從1970年發射第一顆人造衛星“東方紅一號”，到2015年“悟空”號升空，吳季的概述為我們勾勒出了中國空間科學的發展脈絡。“那時候打一顆衛星要花好多錢，所以前幾顆衛星雖然有一些科學技術演示和科學探測內容，但在這之後衛星的研制基本上都是圍繞國防和應用展開的，比如通信、偵察、資源勘察和氣象災害監測等等。這些應用也是必要的，因為中國是發展中國家，特別需要通過空間數據的應用來維護國防安全。”

“到了2000年以後，中國開始做一些基礎性研究了。2003年、2004年我們就打了兩顆科學衛星。”吳季介紹道，“我們和歐洲空間局合作，中國發兩顆星、歐洲發四顆星，在地球空間形成一個六顆星的探測星座，專門研究地球空間環境。歐洲空間局這個計劃叫‘星簇計劃’，中國的叫‘雙星計劃’，應該說這是中國第一個真正意義上的科學衛星探測計劃。但是從那之後一直到‘悟空’號，這中間中國一直沒有發射科學衛星。”

吳季解釋說，“嫦娥奔月”工程、載人航天這些重大空間項目，都不是單獨的科學計劃。單獨的科學計劃基本都是以衛星為載體，其最本質的衡量標準就是看論文、看有沒有科學成果發表。對“雙星計劃”的成果產出統計顯示，大約有200多篇論文發表；加上與歐洲空間局的四顆衛星和聯合測試，共有2,000多篇論文發表。

“這個成果應該說還是不錯的。在這之後，我們就一直在推動空間科學的發展。”吳季稱。由於中國大概80%的空間科學家都在中國科學院的研究所工作，所以大家強烈呼籲由中科院自己發衛星，最終從2010年開始中科院在其戰略性科技先導專項裡給空間科學開了個口子。“從‘十二五’初期我們就開始論證，並陸續啟動研制中國的科學衛星，這個系列的首發星就是暗物質粒子探測衛星‘悟空’”。

吳季認為，整體上看中國的空間科學在國際上處於居中水平。近些年，“悟空”、“墨子號”這些科學衛星上天後，之所以一下子就出了一些成果，就是因為中國的科研團隊還是有基礎的。但是，吳季同時注意到，中國的科學家有研究空間天文、太陽物理、地球科學和行星科學的，數量不少，但是影響度還不高。為什麼呢？就是因為他們能拿到的和使用的從來都是國外的數據，中國沒有自己的數據。

“用國外數據就會存在一個問題，最好吃的肉讓人家先吃了，等一年之後人家把數據公開，重大成果已經發表了。而我們的科學家就只能在這之後才拿到數據，啃啃骨頭。”吳季解釋道，這正是為什麼中國要有自己的衛星計劃，就是為了激勵中國的科學團隊實現自己的想法，而不是在人家實現了想法後才分點羹。

如今，中國已經建成並且還在逐步發展自己的科學系列衛星。“有了自己的一手數據，才能夠有最高水平的論文成果，因為第一次的發現都在這裡面。”吳季表示，中國也將以開放的心態向國外儘快公布“悟空”的數據，並且歡迎外國科學家來使用中國的數據。

讓空間科學探索在中國持續下去

1958年，被譽為“人造衛星之父”的趙九章先生創立了國家空間科學中心，并帶領團隊承擔了中國第一顆人造衛星的研制任務。

據吳季介紹，在上世紀70年代末、80年代初期，空間科學中心又承擔了中國第一代天文衛星、遙感衛星以及遙感衛星地面站的建設——即“兩星一站”任務。到“載人航天863”工程啟動時，空間科學中心也是論證單位之一。如今，空間科學中心還仍然承擔著載人航天部分有效載荷的研制和空間環境預報工作。

“我們最重要的任務是作為科學衛星系列的工程總體單位，負責規劃、遴選、論證、立項以及頂層的管理。衛星、運載火箭、發射場、測控等工程大系統層面的工作都由我們來組織。衛星打上天以後，我們還負責數據的接收和運行。衛星數據會實時傳輸給我們，由我們解包後再打包分配給科學家。他們拿到這些數據後，就可以再去做科學產品。”吳季進一步介紹稱，“我們還負責科學論文發表的統計和科學成果的發布，一般評價一顆科學衛星是否成功，就是看一共發表了多少篇論文，以及論文的影響度。”

“十二五”時期，國家空間科學中心作為工程大總體相繼啟動了暗物質粒子探測衛星、實踐十號返回式科學實驗衛星、量子科學實驗衛星和硬X射線調制望遠鏡衛星。吳季透露，“十三五”期間，愛因斯坦探針（EP）、先進天基太陽天文台（ASO-S）、全球水循環觀測衛星（WCOM）、磁層—電離層—熱層耦合小衛星星座探測（MIT）以及太陽風—磁層相互作用全景成像衛星（SMILE）共五個先導項目已經都在立項過程中了。

“悟空”衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數據點），與美國費米衛星測量結果（藍點）、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀測量結果（綠點）的比較（圖：國家空間科學中心）

此外，國家空間科學中心還一直在努力推動兩件事。“目前以五年的周期來發展衛星項目其實是不太合適的，衛星的研制任務量不是均勻分布的。這樣的分布不是常規的發展方式，也不是一個可持續的發展模式。”因此，從“十二五”末期開始吳季及其團隊一直在呼籲，國家要有針對科學衛星的專項，要讓空間科學可持續下去。這樣中國就可以每年不斷地有科學衛星立項和發射。另一件事是，人員和經費的可持續性是這個機構目前遇到的問題。“現在國家正好要推動建設國家實驗室，所以我們希望把國家空間科學中心轉換成為空間科學國家實驗室。如果實驗室建立了，也會有人員經費的保障了。”

香港有望參與內地空間科學計劃

談及香港，吳季表示，他曾兩次訪問過香港理工大學並拜訪過其校長，那裡有一個團隊跟空間科學中心在火星取樣、月球表面取樣項目上有一些合作。“主要是做取樣機械裝置和鑽頭。他們也跟歐洲、美國都有合作，我們也希望今後在這個方向上還能夠加強合作。”

吳季坦言，他對香港的整體印象是，香港還是一座以商業社會和經濟社會為主的城市，香港培養的人才也是以實用型人才為主。在科技創新方面，香港更注重技術創新，對基礎科學的重視同樣不夠。

“如果香港的科學家能夠提出像量子、暗物質這種創新的科學思想建議的話，我們也願意考慮把它納入內地的空間科學計劃裡去給予支持。只不過首席科學家在香港，但這也是我們自己人嘛。”他中肯地說。

吳季還注意到，目前香港也在積極吸引科技人才，比如高能天體物理學最高獎RossiPrize的最年輕獲得者蘇萌最近就被香港大學物理系與空間科學實驗室錄用了。這位年輕科學家是由內地高校培養，後赴美國哈佛大學深造，現在在香港從事科研工作。

“我們也可以積極地邀請香港的科學家參加到我們已經立項的項目團隊裡來，作為一個骨幹來分析數據。”在空間科學中心新立項的幾個項目中，蘇萌及其香港團隊就參與了進來。吳季建議，香港跟內地的科技創新步子應該是一致的，希望香港能逐漸重視基礎科學研究，為中國2050年建成世界科技強國共同出力。

本文發表於《紫荊》雜誌 2018年1月號

編輯：鄒李蕾