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【新华日报】捕捉暗物质的人——专访紫金山天文台副台长常进

  500公里外的太阳同步轨道上,来自中国的暗物质粒子探测卫星“悟空”在浩渺的太空中遨游。每天,它以绕地球15圈的速度行进60万公里,自发射至今,“悟空”的“火眼金睛”已经探查47亿个宇宙高能粒子,努力为人类拨开暗物质的迷雾。

  近日,《科技周刊》报道团队为“悟空”的“师父”、南京紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进研究员送上“科学顾问”聘书,并进行了专访。

  他靠别人的气球“仰望星空” 

  常进是泰兴一位普通农家子弟,1992年从中国科大近代物理系研究生毕业后,来到南京中科院紫金山天文台空间天文实验室工作。走上工作岗位,常进吃了一惊:我国当时的空间天文几乎是一片荒漠。“就好像到汽车厂工作,却发现这个厂一辆汽车都没造出来过。”他了解到,紫台曾经负责研制一颗天文卫星,但那时国家穷,科研经费不足,只能忍痛下马。他能做的,是整天到图书馆,将当时国际上所有的高能天文卫星的资料都认真地读了一遍。

  “我赶上了好时候。”常进参加工作不久,国家开始加大对航天的投入,他跟着紫台的老师,在载人飞船上做一个小系统,项目成功开启了我国空间天文观测的历史。这个过程,也让常进深深感到,中国这方面和国际水准差距太大,不能按照他们的路子走!

  1998年,常进被派往德国学习。在德国,他取得了观测方法的突破——采用高能量分辨的薄探测器也能探测高能电子,这大大压缩了探测器的体量和成本。巧的是,当时美国有个名为“ATIC”(先进薄电离量能器)的气球探空项目,把气球放到南极高空观测宇宙射线。

  “这个探测器只观测宇宙射线?太浪费了!”常进仔细研究后,认为可以观测高能电子和伽马射线。但是,美国科学家认为这个想法太疯狂。为了说服他们,常进直奔美国实验室,美方要求常进在计算机上算出探测器各种参数。那时,他没有笔记本电脑,所有的数据、程序都在自己办公室。他从零开始,将自己所有的想法编成程序,把各种参数计算出来,再进行核对。几乎36个小时没合眼,终于通过加速器,让美国人认可了自己的方法,并同意将南极气球实验的数据交给他作电子分析。

  “搞科研,有时还需要点运气。”常进回忆当时的惊险说,弄错一点点,就别想上气球了。

  2000年底到2001年初,差不多足球场那么大的气球在南极升空,在离地面37公里的高空,完成了人类对高能电子和伽马射线的首次成功观测。常进的方法,得到了该项目最有价值的发现,以常进作为第一作者的论文《宇宙电子在3000亿-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》发表在《自然》上。论文发表第一年即被引用400多次。

  “气球实验是我进入这个领域最关键的一步。”常进告诉记者,“但要想看得更清楚,弄清楚这些电子的来源,必须上卫星,到太空去探测。”

  他的世界“全凭数据说话” 

  “常老师最大的特点是严谨”,同事介绍说,“就是出差回来再晚,他也是先到台里看卫星数据、检查工作”。

  美国造一颗卫星,从开始研制到最后上天,往往需要十几年时间。凭什么中国四年可以完成?

  其实,在“悟空”立项之前的约十年时间里,常进参与载人航天、嫦娥工程,了解造卫星、干航天的基本知识,也锻炼队伍、储备人才。也在那段时间里,他做了一颗小型的暗物质粒子探测器,搭载在实践卫星上,完成了很多技术的检验。“如果没有这十年,我们不可能只用四年将‘悟空’送上天。”

  2015年12月17日“悟空”发射成功,在热闹的现场和欣喜的人群中,常进异常平静甚至显得有些孤独。作为项目的首席科学家,他想的是:如果不出科研成果,这还是一颗失败的卫星。

  他不能忘记父亲临终前的叮咛:“国家拿10个亿给你放卫星,你要搞砸了,不是咱泰兴几万农民一年都白干了?你不能浪费国家的钱啊!”他无法向父亲解释科学探测的不确定性,他只能如履薄冰地日复一日去做好每一件事、精确处理每一个细节、排除每一种可能的误差……

  几个月后,当他在火车上第一次看到自己的团队根据卫星探测数据绘制出伽马射线天图时,眼泪再也控制不住,因为这张图表明探测器是成功的,没有辜负那么多人的心血!

  “悟空”号在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,“悟空”配备了目前世界上最强的高能粒子捕获设备:由世界上最长的BGO(锗酸铋)晶体为核心制成的BGO量能器,为“悟空”获得世界上最纯净的数据奠定了基础;有分辨率很高的塑闪探测器和硅阵列探测器,以及中子探测器。“悟空”探测器的能量观测动态范围可达100万倍——这相当于同时看清一个有着姚明身高的人,以及他身体上的每一个血液细胞。

  “‘悟空’在天上一天采集的数据,相当于提前4个月发射的日本卫星十五天采集的数据。”经过近两年的数据积累,“悟空”的第一批科学成果——对高能电子能谱的精确测量结果在《自然》发表,发现能谱在1.4万亿电子伏特处有奇异的尖峰,这可能是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。

  “悟空”每天传送回500万个粒子信息,500万当中,电子只有不到千分之一,而光子只有十万到百万分之一。“悟空”探测器共有7万多路电子学信号通道,采集到的数据必须得标定和重建,就如同7万多个盲人在摸象。

  “宇宙星空很美,会引人浮想联翩。但我们干的活,要杜绝一切差错、拒绝一切异想天开,只靠数据说话。”常进特别强调。

  “我遇上了好时候,拥有个好团队” 

  他获得了很多荣誉:作为第一作者,与国际同行合作获得的宇宙高能电子观测结果,被美国物理协会和欧洲物理协会分别评选为2008年度世界物理学领域重大研究进展;获得全国创新争先奖,国家科技进步二等奖、特等奖(单位);获得江苏省科技进步一等奖、二等奖,入选全国“百千万人才工程”和江苏省“333跨世纪人才工程”。

  “一个人本事再大,作用也是有限的。”常进说,像爱因斯坦那个时代,靠一个人去解决一个科学大问题,如今已经很难了。空间科学项目非常复杂,牵涉多门学科、几十家单位、数百个人,是一批“最强大脑”成就了“悟空”。

  暗物质和暗能量被视为现代物理学和天文学的“两朵乌云”。根据科学家研究,宇宙中约分布着68%的暗能量和27%暗物质。而我们所看得见、摸得着的普通物质仅占5%。常进说,暗物质本身不可见,但暗物质湮灭或者衰变了的时候,就会产生看得见的粒子,“暗物质的性质作用我们现在无从得知,但是现在,寻找暗物质的工作每天都在影响着我和我的团队成员。”茫茫太空,像是一片未知的荒野,还等待着“悟空”的火眼去发现。

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