胸藏万卷志兴邦 心怀赤诚拓天疆

时间:2021-07-04

戴志勇 姚俊峰

人物名片】 常进,1966年7月出生,江苏泰兴人,长期从事空间伽马射线和高能带电粒子探测技术研究,我国空间天文学学术带头人之一,在暗物质粒子空间探测、空间天文观测设备研制、数据分析等领域作出系统性、开创性贡献。现任中国科学院国家天文台台长、中国科学院暗物质与空间天文重点实验室主任、中国科学技术大学天文与空间科学学院院长、“悟空”号暗物质粒子探测卫星首席科学家、南京欧美同学会常务副会长,2019年当选中国科学院院士。

什么是暗物质?一个“暗”字道出本质,即看不见的物质,它由引力观测证实其存在,却从未被直接观测到。科学家估算,宇宙中包含5%的普通物质,它们组成了包括地球在内的星系、恒星、行星等发光和反光物质,其余95%是看不见的暗物质和暗能量。

时至今日,人类从天文学观测中推断暗物质的存在已经有80多年的历史,通过物理实验探测暗物质粒子已经有30多年的历史。在我国,有这样一位科学家,他通过近30年的不懈奋斗使我国在暗物质探测实验领域走在世界前列,他就是常进。

仰望星空

常进,泰兴市河失镇常周庄一个普通农家子弟,1984年毕业于泰兴中学,高考以优异的成绩考入中国科学技术大学近代物理系。1984年至1992年,在中国科学技术大学就读本科、硕士。1992年毕业后,他到中国科学院紫金山天文台参加工作。当时中国空间天文事业发展已经严重滞后。上个世纪70年代末,紫金山天文台曾经组织研制一颗天文卫星,但那时国家经济发展艰难,科研经费不足,只好中途下马。常进所能做的就是整天泡图书馆,认真研究国际上所有高能天文卫星资料。

1992年9月,中国政府决定实施载人航天工程,这为我国的空间天文事业的发展带来了难得的机遇。1995年常进开始研究高能电子和伽玛射线探测,当时这项研究在国际上也是刚刚起步。当时,他每天都在琢磨一个问题:如何寻找巧妙的方法,加快国家空间天文事业的发展,让它走在世界前列?他在实验室里埋头干了3年,发现进步不大。1998年,常進被派往德国学习深造。在德国,他实现了空间天文观测方法的突破,采用高能量分辨的薄探测器探测高能电子和伽马射线,还能大大减少探测器的体量和成本。恰巧这个时候,美国实施一个气球探测太空项目,把气球放到南极高空观测宇宙射线。常进经过仔细研究后,认为如果采用新的方法,气球上的探测器也可以观测高能电子和伽马射线。为了说服美国科学家,常进坐飞机飞往美国,来到美国实验室,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,所有的数据和程序都在自己的办公室里。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,再同实验进行核对验证。经过近36个小时的“攻坚战”,美国科学家认可了常进的方法,同意将南极气球实验的数据交给他作电子能谱相关分析。

2000年底到2001年初,美国实验气球在南极升空,在离地面37公里的高空完成了人类对TeV高能电子和伽马射线的首次成功观测。常进说:“气球试验是我进入这个领域最关键的一步。”“要想看得更清楚,弄清楚这些电子的来源,必须到太空去探测。”2001年至2010年这十年的时间里,常进参与了国家载人航天工程,先后为神舟二号、嫦娥一号、嫦娥二号等成功研制伽玛射线谱仪。他还做了一颗小型的暗物质粒子探测器,搭载在实践卫星上,完成了很多技术检验。常进对收集来的数据进行了仔细分析,发现宇宙射线中高能电子的异常。2008年,常进作为第一作者在国际权威杂志《自然》上发表论文《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》,该论文开启了通过正负电子精确观测寻找暗物质的热潮,论文发表第一年即被引用400多次,目前美国、日本科学家也采用了常进的方法。

鲲鹏飞天

2015年12月,我国在酒泉卫星发射中心成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射升空,实现了我国天文卫星零的突破,被《自然》杂志誉为开启了中国空间科学新时代。从2011年12月,暗物质粒子探测卫星立项,到2015年发射升空,中国仅仅用了四年的时间。“悟空”号暗物质粒子探测卫星采用了常进的新探测技术,研制费用仅为同类的美国费米卫星的1/7,国际空间站阿尔法磁谱仪2号的1/20。该卫星工作能段宽,能量分辨率高,鉴别粒子的本领强,兼具“看得远”和“看得准”两个优点,性能指标世界领先,在中科院组织的卫星评审中,获得满分。

当“悟空”号发射成功时,很多人都欢欣鼓舞,甚至有人喜极而泣,而常进却异常平静。作为该项目的首席科学家,他想的是卫星的研制和上天即使再成功,如果不出科研成果,这还是一颗失败的卫星。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,他的眼泪再也控制不住,因为这张图表明探测器是成功的,没有辜负那么多人的希望。

“悟空”号在距地面500公里的太阳同步轨道上每天绕地球15圈。2017年以来,“悟空”号相继在电子、质子、氦核宇宙线探测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。目前,“悟空”号在轨运行近6年,共采集了超过100亿颗高能宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了国际上精度最高的电子宇宙射线能谱,该能谱将有助于发现暗物质存在的蛛丝马迹。

引领未来

在探索未知宇宙的过程中,常进总是不断地燃烧起自己的斗志与精力,千淘万漉,狂沙吹尽,唯留下醉心于科研的赤子之心。多年的付出与努力,他获得了回报,先后荣获2004年国家科技进步二等奖(第4完成人)、2012年国家自然科学二等奖(独立完成人)、2012年国家科技进步特等奖(第40完成人)、2017年全国创新争先奖状、2018 年何梁何利科学与技术进步奖(天文学奖)、2018年中国天文学会张钰哲奖、2018年中国科学院杰出科技成就奖、2018 年中国科学十大进展、2019年(首届) 中国空间科学学会科技奖等荣誉。暗物质粒子探测卫星项目先后两次入选习总书记新年贺词,并入选党的十九大报告。

仰望星空,未知永远存在。如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗的天空”,那么暗物质就是天空中的“一朵乌云”。虽然它来无影、去无踪,但科学家们坚信,揭开暗物质之谜,将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,物理学的又一次革命性突破。届时,人类对物质、时空和宇宙起源等基本问题将会有更深的认识。

诺贝尔奖获得者丁肇中先生说过:“没有人知道谁是第二个发现相对论的人。”基础研究竞争非常激烈,伟大的发现只有第一,没有第二。常进总是反复强调:我们是和世界上最顶尖的科学家竞争,只有肯吃苦,比他们多花几倍的时间和精力,才有可能实现超越。常进说:“新的一年,卫星在继续积累高能电子、伽马射线探测数量的同时,会把分析重点放到超高能宇宙线粒子上来,力求尽快解开宇宙中的粒子加速之谜。”常进表示:“目前悟空卫星各项指标还保持刚发射时的完美状态,预计未来我们还有系列重要成果发表。下一步我们将研发新一代暗物质粒子探测卫星,该卫星预计重达10吨,计划于2026年前后发射,是世界上极少的重型科学卫星之一,其对伽马射线的探测灵敏度大幅领先国际同类设备,一旦投入使用将引领世界暗物质间接探测研究以及高能时域天文研究,做出重大的科学发现。”

我们期待,常进院士主导研制的新一代暗物质粒子探测卫星刺破苍穹,用“火眼金睛”拨开天空中的那朵“乌云”,还我们一个更加清晰的宇宙。(责编  董西飞)

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