第610期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《宇宙中的火眼金睛》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——宇宙中的火眼金睛
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：黄晓渊，中国科学院紫金山天文台研究员。
马鹏雄，中国科学院紫金山天文台博士。
讲座时间：2024年11月4日～11月10日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——宇宙中的火眼金睛
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。2015年，我们国家向太空发射了一颗卫星探测器，名字叫作悟空号。当时预计的使用寿命是三年，但是目前已经两次延期服务时间，这是为什么呢？我们通过短片来进入我们今天的节目。2015年12月17日，悟空号暗物质粒子探测卫星发射升空，原本计划在宇宙中服役三年的悟空号，由于工作状态良好，已经被两次延长工作寿命。而今，它已经运行六年之久，这期间，悟空号已经帮助科学家们收集到超过100亿个源于宇宙中粒子的数据，并通过这些数据三次描绘出暗物质可能产生的部分粒子的分布情况。这也标志着我国在空间高能粒子探测方面已跻身世界前列。暗物质是什么？暗物质的探测和研究与普通人有什么关系呢？我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院紫金山天文台的黄晓渊研究员，欢迎您！另外一位也是中国科学院紫金山天文台的马鹏雄博士。主持人好！2015年那个时候，悟空号发射成功的时候，是中国天文的一个新的历史开端。对。那个时候，当时中国天文处在一个什么样的状态？这个背景是什么？给我们介绍一下。
这个可能还是要从常进院士讲起，当时就提出了一个很重要的，做电子和质子分辨的一个事情。因为我们知道，我们的主要探测目标是正负电子，但是在宇宙线当中，质子的数目比正负电子要多得多，然后为了把这样的背景去掉，需要做一些特殊的改正办法，他是发展了一个新的方法，在分辨电子跟质子方面非常管用的。因为以前这是个科学难题，所有的科学家都不知道两个粒子怎么分辨。因为我们要研究电子的话，质子太多了，就是背景就是噪声，那他发展一个新的方法以后，他自己经过验证，他发现这个方法很好，后来国家也支持，然后常进院士牵头提出这个项目，2011年国家立项，到2015年发射，所以这个路子走得特别急，目前我们国家空间天文现在已经在各个方向都在努力发展了。我们为什么把这个探测卫星的名字起成悟空，这背后的寓意是什么？
它的专业的名字还是叫暗物质粒子探测卫星，但是为了公众传播的需要，通过了一个网络征名，通过专家的评审，然后大家就决定把它叫作悟空。叫悟空的一个意义是因为孙悟空，我们大家都知道他有火眼金睛，可以看到各种妖魔鬼怪，然后我们也就是希望我们的这个探测器也是具有火眼金睛，能够看到一些不一样的东西，如果我们把悟空这两个字分开理解的话。第一个悟就是领悟，而空就是未知，那我们要研究的宇宙是有很多未知的事情，特别是我们关心的暗物质，这是非常前沿的未知的科学问题，我们这两个词分开理解的话，就是领悟未知，就是最贴合的一个词汇。突然间就好像升华了这个名字，那我们说说悟空号到底是一颗什么样的卫星呢？就像它的这个名字所说的，它其实是叫暗物质粒子的探测卫星，所以它的主要的目标是为了来探测暗物质。暗物质这个东西，我们现在暂时还没有理解，因为按照宇宙学的观测，我们的这个宇宙中，70%是暗能量，25%是暗物质，只有5%是我们日常所见到的。比如说电子这些组成我们人类和我们周围世界的东西，其实只占宇宙中的5%，但是这个暗物质粒子，它的性质其实是还不知道的，我们只是通过引力观测到它的存在，所以我们就希望用暗物质粒子探测卫星来间接地探测。这个暗物质粒子到底是什么？
你刚才提到暗物质，暗物质怎么理解？您跟我们解释一下。我们先关注暗物质这个概念，它提出已经很久了，1933年就有人提出了，人们知道它存在，但是就是找不到它。为什么会知道它存在呢？比如说我们绕着银河系中心转，地球绕着太阳转，我们有个速度，我们知道太阳的质量，也知道地球的质量，那通过牛顿万有引力公式，我们就能算出太阳、地球的速度了，结果我们发现太阳绕着银河系转的速度，跟银河系的质量，以及太阳的质量计算出来的速度，它允许的这个速度有点偏差，就是我们太阳有点转得过快了，但是问题是我们太阳系就在银河系，绕着银河系稳定地运转。于是我们提问为什么这么快？所以必须有一种看不见的力量把它抓住，否则就像我们甩个绳子一样，你甩得越快，绳子断了，飞出去了，所以暗物质就是说它提供了一个强大的引力，但是我们就是看不到它是什么。现在我们要研究暗物质方式有很多，但是有一些科学家他提出暗物质它可以通过自身的衰变，或者两个暗物质相互碰撞，它产生一些我们可见的物质，我们可见的物质，正常的物质，我们人类能理解的物质。比如说正负电子，还有伽马射线，那我们要探测暗物质的话，我们就探测它的“儿子”，它的“孙子”。它到底产生了什么东西，根据简单的一个物理规律，就是能量守恒，暗物质是多少多少能量。那么你产生的东西加起来就应该是多少多少能量，我们通过精确测量它产生的粒子，它质量加起来，或者怎么计算，那你就能推算出暗物质是什么？
而我们暗物质粒子探测卫星，它就在这方面，特别是它对正负电子，Gamma-ray(伽马射线)，它的能量分辨率达到世界最好水平，就等于它的视力是最好的，它可以在茫茫人海中，我随便抓到一个我希望找到的人，所以这就说明它的性能特别好，那么它通过计算正负电子，暗物质它产生的东西我就回算暗物质到底是什么？这是我们世界上探测器性能最好的一个装备。说到这个话题，我们来看看记者编辑的短片。由于暗物质无法直接观测，科学家需要观察暗物质可能转化成的可见粒子，比如伽马射线、正负电子等，从而搜寻暗物质的蛛丝马迹。但宇宙中的粒子种类繁多，如何分辨这些粒子的种类、能量大小以及来源方向，是探测器的一大难题。而悟空号辨认这些粒子能力在世界上首屈一指，组成它的四种核心探测器，能辨认出进入探测器的究竟是哪种粒子，具有多少能量，并识别粒子的来源、方向等各种信息，它的“火眼金睛”名副其实。你看在我们普通人来理解，我们地面上已经有了那么大的望远镜、探测器，大的科学装置，而且都建在海拔非常高的地方，已经很接近天际了。那我们为什么还要在天上弄那么一颗卫星再去观察？
这个最大的区别就在于在地面上，哪怕像我们四川的稻城LHAASO，它海拔4400米，但事实上它的大气，可能顶多就是我们海平面的大概一半，还是有很厚的大气物质的，很厚的，但如果我们把这个探测器发到我们的太空当中，500公里高度的话，其实没有空气的。那这个粒子它就不受阻挡地进入探测器了，这样的话这个粒子它是什么？它是氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖，它不管是谁，我就能测出来，我就知道你来的是谁，然后你的方向从哪里来的，你的能量多少我能清楚。但对于LHAASO来讲，它只要进了空气，它就像一个炸弹一样炸开了，炸出很多碎片，我只能在地面布设特别多的探测器，去把这些碎片给它收集起来，所以这就是两个的区别。LHAASO它是通过测量它最后的次级粒子，去探测粒子的，而我们暗物质卫星，它从它入射，一直（到）它碎裂，我都把所有的都收集起来了。所以我们可以很准确地区分来的是什么，是氢原子原子核，还是说是氦的原子核，或者是碳、氮、氧。它们之间是有分工的吗？有一些的，就是因为LHAASO它就是很难做到，相对于低能一点的悟空号所做的这个能段的。说到这个话题，我们来看看记者编辑的短片。
宇宙中的粒子种类繁多，它们的能量同样有高低之分。比如太阳光中的光子能量较低，很难穿透纸板，但X射线中的粒子具有较高能量，可以穿透人体，用于医疗检测、工业CT等用途。在宇宙中有许多极高能量的粒子，从四面八方射向地球，它们可以轻易穿透一面墙壁。同样，这些高能粒子也携带着关于宇宙的种种信息，悟空号正是一颗能够探测这些宇宙中高能量粒子的装置。到目前为止，它都为我们带来了有关宇宙的哪些消息呢？悟空到底发现了哪些特别有价值的，让你们兴奋的这些信息呢？现在我们的成果主要是在带电粒子的观测上，在这个里边都发现了一些新的东西。悟空号卫星在正负电子的测量上面，是现在世界上具有最高精度的测量的，我们的合作组的第一篇文章就是正负电子的测量，然后我们就发现它在大于100个GeV（十亿电子伏特）的时候，然后它会跟我们的理论预期有所偏离。第二个就是对宇宙线的测量，比如说我们对质子还有氦核，这是我们最近发表的结果。可以这样理解，在我们的信号里面出现了“鼓包”，那这个“鼓包”它对应的背后的物理，就是我们一直寻找的那个问题，就是这个宇宙线是从哪里来的，根据计算，这个鼓包它对应的一个加速源，它应该不会特别远，可能就在我们地球的在一个天文学尺度上的一个距离。
我们说的天文学尺度，对我们来说已经很近的距离了，但是人类要到达的话，还是挺远的，等于是我们这个信号里面，它藏了一颗宇宙线的一个加速源。但至于它到底是在哪里？在哪个方向？在天空中哪个方向？我们还需要更多的数据去找，但是从国际上整个对比来说的话，暗物质粒子探测卫星给出了最精确的测量，最可能揭示这个问题，但最终我们还没有确认说我们找到了。我们已经发现了强烈的信号，如果我们积累更多的数据的话，我们也许真的能看到方向是从哪里来的。我们有望回答宇宙线它从哪里来？我们也许看到了一个临近的宇宙线的加速源。我们通过短片去了解一下。宇宙中暗物质占全部物质总质量的25%，人类知道它的存在，却不知道它究竟是什么？于是科学家想到，可以通过探测暗物质碰撞后产生的粒子，来寻找暗物质的蛛丝马迹，就如同我们可以观察动物留下的脚印，通过脚印的形状、深浅等信息来判断动物的种类特征。而暗物质的“脚印”则可能是很多高能粒子，比如质子、正负电子等，这些粒子也被统称为宇宙线。在悟空号服役的六年多时间里，它收集了无数宇宙线粒子的信息，将宇宙线在空间中的能量分布情况精确地描绘出来，从而探寻暗物质存在的证据，同时悟空号采集到的数据也对揭示宇宙线，为何有如此高的能量黑洞研究等有很大帮助，帮助我们进一步了解宇宙起源如何演化等终极问题。
悟空号它探测到的这些信息，是怎么传到你们的数据中心的？我们的卫星是运行在一个500公里高度的轨道，500公里其实很近，但是它在我们地球上面，它大概96分钟一圈，所以它每天可以绕着地球转十几圈。所以它经过我们中国上空的时候，我们中国属于幅员辽阔的国家，我们最西部有新疆的喀什也有个接收站，接收站就是你以前能看到老式的那种接收电视锅，那种大锅，然后在南边海南省三亚有个接收站，在北京的密云有个接收站。这个卫星它经过我们中国上空，靠近某个接收站的时候，它要把它收集到的数据传下来，然后这三个站，它把每天收集到的数据汇总到北京。然后北京的单位，它把收集的数据打包，打包好之后，发到我们南京紫金山天文台。因为这些数据都是计算机的数据，就是科学数据，它是计算机语言0101这样的数据，我们把这些数据全部生产成我们可以识别的数据。比如说它是20、30，这样的数字信号。然后你把它转化成这样的数据以后，把它进行一个生产，这样的话我就能知道来的粒子它是什么东西，通过这个数据，然后我们把这个数据生产好之后，就分发给我们的合作单位，包括北京的高能物理研究所，兰州的近代物理研究所，合肥的中国科学技术大学，还有意大利的几所大学，以及瑞士的日内瓦大学，我们这样一个国际团队把所有的数据进行分析，我们最终得到科学结果，然后向全世界公布。
谈到悟空号的话题，我们来看看我们记者编辑的短片。自2015年年底，悟空号发射升空以来，一直连续保持着科学观测状态。每95分钟就会绕地球行进一周，每天都会将原始数据传送到各个接收站。在悟空号运行的前五年半，共采集了超100亿个高能宇宙射线，并发表了多种宇宙线测量结果，这些结果均在特定的能段观测上，获得了当时世界上最高的测量精度。科学家探测到来自于宇宙的各种数据，对暗物质的研究会带来什么呢？我们采集到这些数据到底有什么用？我们希望能够看到一些意料之外的东西，特别是为了来寻找暗物质。暗物质这个东西，各种各样的理论假说都有，所以要探测它所需要的方法也各不相同，因为我们对新的物理已经期待很久了，所以专门物理有一个方向，就是叫新物理的。新物理里边，暗物质的探测是一个比较重要的课题，如果我们能够在天文上发现一些异常，能够和暗物质有一个合理的解释的话，那可能对整个的物理的发展都会有一个比较重要的影响。如果真的暗物质找到了，我们人类可以理解它，甚至尝试驾驭它吧，我大胆地假设一下，那我真的不敢想象它能带来什么样的革命。上世纪大概100年前，那时候相对论跟量子力学正发展的时候就是爱因斯坦。一批伟大的科学家，他们在发展这个学问的时候，当时也没有我这个理论马上能拿来用什么，但是100年后的今天，我们要知道，我们的手机芯片，很多知识、材料都来自于量子力学的发展。我们的北斗导航，之所以能给你导航精度到北京的各个胡同，特别清楚，是因为它考虑了广义相对论，如果没有这个理论的发展的话，我们可能就会导航出错。
首先我们的研究是一个基础科学研究，很难直接把我们的成果演化到我们生活日常当中，因为这是基础的学科，暗物质的发现，现在人们预期就是下一次物理学革命的窗口，它也许100年之后，可能就像100年前的人们看我们今天一样巨大的飞跃。所以基础科学的生产力，它的爆发力不可估量，但是总的来说，这是一个人类所有的世界上现在发达国家，都在投入大量的精力、人力的方向，所以我们中国现在在复兴的路上，我们必须在这方面走在前面。那说到未来，刚才您也提到未来，随着我们对暗物质以及对宇宙的进一步的认知，可能会对我们生活有什么改变？新的知识的产生，它可以让我们懂得新的规律，比如说我们谈一下这个宇宙线，刚才谈到宇宙线一个终极问题，它是怎么加速的，我们人类目前最强大的加速器。在瑞士日内瓦，它是叫作欧洲核子中心，它大概是边长27公里的一个地下的一个环形探测器，它可以加速到7个TeV（一万亿电子伏特）。那这个TeV对我们宇宙来说，像LHAASO发现的，包括我们暗物质粒子探测卫星的能量上限，几百个TeV来说，它还是很低的，但是高能的粒子对我们人类来说是非常有用的。比如说我们现在国家建立的各个大的科学装置，比如说是上海光源，东莞的中资源，这些它都可以服务于民生。比如检查一些材料，一些生物蛋白质，包括新冠病毒的解析，我们都可以用到这些装备，而这些装备的背后的技术，它都是理论家，以前做实验发展起来的。
那么我们今天去了解宇宙的宇宙线怎么加速，我们可能懂得新的加速的方式。我们人类以后也许可以把这个转化为民用，比如说我们国家，把粒子加速，引入到了癌症治疗。我们的全国可能每年有很多人不幸患癌症，但现在如果有粒子加速器，它这个治疗效果，尤其是重离子加速器的话，它的治（疗）癌（症）效果是非常好的，而且副作用很小，所以这就是一个基础学科，它从实验室进行产业化，进行民用，一直到服务于民生。就是从无到有的一个探知过程。所以这是个很漫长的经历，可能一个人他一辈子职业生涯都奉献了这一件事情了，最后它能造福民生，我们未来的生活也许真的会跟我们今天的研究有一些丝丝毫毫的关系，但也许需要大家共同努力，并不是说我们这一个专业、这个方向的一群人，他可以改变什么，所有的科学到最后变成生产力的时候，它是复合型的。这个是比较实用一些的，但是从理论上来说，也是有一些特殊的用处，比如说我们大家都是最基本的问题，就是人从哪儿来，或者生命从哪儿来，比如说我们的星球是怎么形成的，宇宙是怎么形成的？按现在的理论来说，要形成我们的星球，或者是形成我们的星系，必须是需要有暗物质存在，然后才能够形成的，但是暗物质到底是什么？我们又不知道，所以中间就感觉总是还是差了一些东西。如果我们能够从暗物质它的最基础的自己的性质，然后推导出它在星系形成中的作用，然后整个的星系形成的恒星形成到生命的形成，这个是整个一个链条，所以如果缺了一些的话，总是还是不大好。
我们既要仰望星空，也要脚踏实地。脚踏实地，可能我们要做最后把这所有的研究，转化到我们能为民造福。但是未来我们人类总要仰望星空，总要问为什么？所以这个问题是无尽的，那答案也是在不断的寻找当中的。我们采集到这些数据对我们生活有什么改变？我们来看看记者编辑的短片。人类对宇宙的认识十分有限，我们日常所见的普通物质只占宇宙总体的4.9%，剩下的是未知的暗物质和暗能量，悟空号每天采集的大量数据就是为了供科学家们发现这些未知。一旦暗物质被人们所发现，必定会带来一场物理学的革命，人类将对物质世界和宇宙的演化产生颠覆性的认识，虽然无法预测它最终会如何改变我们的生活，但在将悟空号送往太空的过程中，已经对许多产业起到了带动作用。比如为了悟空号的需求，科学家开发出了新型晶体材料，并在其他领域广泛应用。也帮助悟空号能够超长服役，进行暗物质探测。发射上之前的时候，对它的预计的寿命？三年。试用期是三年时间？我们暗物质卫星是2015年的12月17日，从酒泉发射的，它发射上去以后，很快就开机了，就开始工作了，一直到现在已经大概5年半的时间了，所以我们现在探测器的各方面的性能还是非常好的。我们上天之后的大概90天吧，三个月左右，我们组织过一次评审，给它给了100分，我听说这个100分。
这是什么概念？它是满分状态，就是没有任何问题。就是它的工作状态是满分状态，它的健康状况。对，到现在为止还是这个样子。延迟退休。对。现在比较流行的词。然后到了两年以后就是去年年底，就是2020年年底，然后又给它延期了一次，我们认为它还能工作，还可以工作。这个结果是为什么，是我们之前对太空的环境想得太恶劣，还是对它的健康状况不够了解呢？因为航天这种事情，你可以讲你必须百分之百地准备的，但是说天上也有环境，也有气候，太阳打个“喷嚏”，喷出一团物质来，就可能对探测器造成致命的伤害，所以我们只能保证我们把这个设计寿命让它一定要出色地工作，它如果能超出预期，那是我们的收获，所以很多事情在天上是不可控的。一个芯片一旦出了问题，整个探测器可能就坏掉了，而我们暗物质粒子探测卫星，它有7万多个提供数据的接口，所以非常复杂的一个探测器，它的要求很高的，一旦出问题，那牵一发而动全身。目前运行状态还是那么好吗？它未来还能够运行多久？因为这是一个大的系统，虽然卫星在天上工作，但实际上地面有好几个站，那就是代表背后有很多人的工作努力的，而且我们中国以后会发展也是航天各方面，所以这个资源它是要调配的。但是我们这样一个卫星，作为一个中国的第一颗空间天文卫星，工作状态很好的话，我们还是希望支持它，不断地收集数据的。
因为对我们来讲，现在我们测到的新的结果，我们结果里面有一个东西叫作统计误差，所以统计误差就是你的数目越多，统计误差越小，那么误差越小，你就测的越精确。如果说我们的探测器工作很好，那我们收集到的数据越多越好，我们测到的信号，测到结果就越可靠，我们希望它工作越久越好，我们也希望就得到大家的支持。现在我们在国际同行的比较下，是处在一个什么样的水平？我参加过几次相关的国际会议，目前他们非常期待我们的结果，也非常重视。因为首先航天是一个，可以说是一个很奢侈的一个项目，以前只有西方的发达国家，包括日本，他们是垄断的。其他国家首先你没有火箭，然后你的元器件、芯片，你在天上的芯片，跟你手机的芯片是不一样的，它要求不一样的，很难的。那后来我们中国突破这个技术以后，我们可以上去做科学探测，我们有了数据。因为在这个领域，数据是不公开的，我只会发布我的最终结果，我不会公布我所有的数据。这样的话，大家就很期待你到底发现了什么，可能你也在做这个实验，我也在做这个实验，我们探测器不一样，但我们的目标一样。我们想测测，我们想看看，你测的东西跟我测东西是不是吻合的，如果大家都吻合，说明我们发现了一个正确的事情。几个房间里都在进行数学竞赛，解决的方式各不相同。对对对。结果出来都是大家期待的。对对对，所以科学上只有第一。而且悟空的探测精度是最好的，到目前为止。因为我们的块头比较大一些，比如说日本有一个和悟空号类似的项目，但是它的探测面积比较小，所以在相同的时间里，它接收到的粒子要少一些。就像刚才马博士说的，统计误差主要是由接收到的数目来决定的，因为我们的块头比较大，所以统计误差很小。
未来我们还会发射类似像悟空号这样的探测器吗？它作为一个中国的第一颗空间科技卫星，天文卫星，我们在这方面以前是落后于西方的。当时卫星发射以后，西方的著名的期刊《Ｎature（自然）》杂志，它发文说暗物质粒子探测卫星的发射，开启了中国空间科学的新时代。事实证明，后来的科学发现也是确实如此。队伍在发展当中，当时那个队伍学任何专业的都有，大家汇到一块来，大家齐心协力把这个工程做好了。可以说是零经验，大家现在有这个卫星的成功运行，包括各个兄弟单位的，各个部门之间的协调，整个工程化了以后，大家觉得这个工作不像以前那么难了，那以后如果我们有酝酿新的科学目标的话，我们这个队伍已经发展起来了，我们的经验已经积累了，我们的人才培养已经上来了，我们团队是很年轻的，平均年龄大概33岁，有30多个人，我只是其中一员，我和黄老师。那我们这些队伍，如果以后有好的机会，有好的科学想法，我们再发展卫星的话，我们会事半功倍的，所以我们会少走很多弯路，我们也许把暗物质卫星，它的各方面的性能，好的特点继承下来，不好的进行改正，可以收集更多的数据，来满足我们中国科学家，乃至世界科学家对宇宙未知问题的一些好奇心。今天，非常感谢两位年轻的科学家走进我们的演播室当中，也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目。如果你想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频去收看我们以往的节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
