暗物质卫星上天相当于一个天然的超级粒子加速器既然人造对撞机填上了标准模型的空白

国庆期间，中科院紫金山天文台内暗物质卫星监控大厅内，仍有科研人员在加班。当全国上下都沉浸在国庆的氛围中，作为我国第一颗天文卫星——“悟空”依旧奔跑在500公里高的太阳同步轨道上，忙忙碌碌。

“快四年了，那只‘猴子’没有让我们失望过。”暗物质卫星首席科学家常进说，近日，它又给大家带来了新的惊喜。基于前两年半的数据，“悟空”在国际上首次利用空间实验精确绘出高能质子宇宙射线能谱，并观察到能谱新结构。这一成果的科学意义和极限的想象空间在哪里?记者专访了科研团队为公众揭秘。

指引人类找到一处宇宙线源

宇宙线是什么?自1912年发现宇宙线以来，其起源与加速机制之谜至今未能解开。

现实中，大气层保护之下的人类，只能从绚烂的极光里感受到它存在。事实上，地球每时每刻都与它“亲密接触”，在海平面处，每个硬币大小的面积上平均每分钟就有一个宇宙线粒子穿过，对比地面能量最高的粒子加速器，宇宙线的威力是前者的1000万倍……

经受了两年半时间、上亿次的轰击之后，悟空“拦截”下了2000万颗高能质子宇宙线，绘制了一张最高能量达100 TeV(1TeV=1万亿电子伏特)的宇宙线能谱图。科研人员在这张图上看到质子流量先上升、后下降的“拐折”结构，这到底意味着什么?

“这样的结构，尤其是后半段的下降结构，在以前地面、空间观测中都未曾发现。这很大程度上是由于与国际同类探测器比较，‘悟空’在高能段的测量性能优势明显，让我们看得更清楚，看到了前人未曾看见的现象。”负责数据分析的暗物质卫星团队成员岳川说。

除了因精度更高打开的新视野，科学家进一步分析推测该“拐折”结构可能是某个邻近地球的宇宙线源留下的印记。

暗物质卫星项目组成员、中科院紫金山天文台研究员袁强说：“如果宇宙射线源均匀地分布在银河系中，我们应该看到平滑的能谱。之所以出现‘拐折’，很可能是由于地球正好毗邻某个宇宙线源。”

科研人员说，空间探测器受限于“个头”太小，能够接收的数据有限，而地面探测器则可以达到很大规模，记录下更多的数据。此次研究的意义还在于，可以通过这一观测结果为下一阶段地面宇宙线研究指明方向。如果后续研究可以积累更多的数据，我们有望直接定位这一邻近的宇宙线源。

指导研制更高能量粒子加速器

自1912年被发现以来，宇宙线便不断给人类送来打开微观世界的钥匙。通过研究宇宙线，人类发现了正电子、μ子、π介子等重要粒子，相关研究也多次获得诺贝尔奖。2012年，欧洲核子中心借由目前世界最大的粒子对撞机——大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。

追求“更高能、更细微、更强大”，高能物理学家有着不输运动员的竞技精神。国内外科学家建造了数台粒子加速器，试图破解物质更深层次结构和更基本的相互作用规律。然而，宇宙总能轻而易举地将人类“秒杀”。来自于银河系外的最高能量的宇宙线，能量超过10的20次方电子伏特，几乎是北京正负电子对撞机所能加速出粒子能量的1000亿倍。

到底是怎样的加速机制，让“微观粒子”拥有相当于“宏观物体”的能量?科学家大胆设想，探究宇宙线的粒子加速原理，或可用于指导人类研制更高能量的粒子加速器。而由“悟空”参与其中的宇宙线研究，或将使物理学焕发新的活力。

暗物质卫星上天相当于一个天然的超级粒子加速器。既然人造对撞机填上了标准模型的空白，那么大胆设想，探究宇宙线中的高能粒子，很可能带我们打开现有物理模型之外的新世界。”中科院紫金山天文台研究员范一中说。

袁强认为，人类研制加速器，每突破一个能量级别，技术难度和成本会指数级增加。因此，借助宇宙线研究极高能粒子， 探究宇宙线的加速机制，有望拓展人类对物理规律的认识，获得超越加速器的突破性成就。

监控大厅里的暗物质卫星模型。图片来源：岳婷(实习)

“悟空”将超期服役至2020年

“悟空”是我国发射的第一颗天文卫星，于2015年12月17日升空工作，原计划在天运行3年。已经超期服役的“悟空”如今性能如何?

据了解，2017年以来，“悟空”相继在电子、质子宇宙线测量方面取得突破性进展，标志着我国空间高能粒子探测研究已跻身世界最前列。接下来，“悟空”合作组还将陆续发表更重的核素能谱测量结果，可望发现不同宇宙线核素能谱拐折结构规律，这将进一步揭示高能宇宙线的加速机制和与星际介质的相互作用等物理问题。

暗物质卫星首席科学家常进说，卫星在轨运行近4年来，各有效载荷运行良好，已总计获取约70亿个粒子的信息，关键科学工作正在持续推进。从此次最新的研究成果来看，与国际同类探测器比较，“悟空”绘出的质子宇宙线能谱，在1-100 TeV能段精度最高，其能量上限，比著名物理学家丁肇中领导的阿尔法磁谱仪实验高出约50倍，比日本学者领衔的量能器电子望远镜实验高出10倍。

“悟空将延期服役至2020年，同时我们也已经在为下一代空间高能伽马和粒子探测实验做准备。”范一中透露，团队已经在开展关键技术预研，新的探测器将改进设计，强化低能粒子筛选能力和伽马射线探测能力等，预计总探测效能达到目前的10倍以上。

由中国科学院国家天文台、紫金山天文台等单位主办的第二届天泉湖天文论坛举行带来了光谱巡天、暗物质探测等研究领域的最新进展。

郭守敬望远镜光谱巡天达千万量级

作为我国大科学装置郭守敬望远镜的总工程师，崔向群院士介绍，郭守敬望远镜光谱巡天七年，目前已经获得1000多万条天体的光谱，使人类观测天体光谱的数目提高到千万量级。郭守敬望远镜建设中的技术创新，也为我国研制10米级以上大口径光学望远镜奠定了基础。

郭守敬望远镜总工程师 中国科学院院士 崔向群：大口径光学红外望远镜，有多种功能，有广泛的科学目标，包括暗能量、暗物质、早期宇宙、超大质量的黑洞，还有系外行星。

暗物质卫星已获取近70亿高能粒子

人类赖以生存的地球每时每刻都经受着外太空高能粒子的轰击，它们携带着多种天体物理过程的关键信息。暗物质卫星首席科学家常进介绍，“悟空号”在轨运行近4年来，各项指标正常，到目前为止共获取近70亿个高能粒子，将有望取得一系列新发现。

暗物质卫星首席科学家 紫金山天文台台长 常进：明年以后我们将会发布伽马射线的一些天文观测的成果，或者是跟暗物质搜寻相关的成果。以前公布的一批结果，看到了一些迹象，希望通过更多的数据，来证实这些超出来的、多出来的高能电子来自于哪儿，是特殊的天体物理构成还是暗物质现在还不清楚，需要更多的数据、更高方面的观测才能确认。