中国科学家提出“探索极端宇宙”国际科学计划

2018 年 9 月 24 日 算法与数学之美

随着科学大发展，人们对物质世界的研究向着微观——基本粒子，和宏观——宇宙研究两个极端不断延伸。在中国科学院高能物理研究所张双南研究员看来，从研究内容和手段而言，微观的无穷小与宏观的无穷大是密不可分，“对粒子物理研究而言，空间实验是不可替代的手段，粒子物理研究方法可以在空间实现，而对宇宙的研究也需要我们到太空中去。这类极端问题有共同物理过程：引力、磁场、加速，它们共同的研究基础是粒子天体物理。”

宇宙起源与演化的标准模型

由中国物理学会、南开大学、中国科学院大学、中国科学院高能物理研究所共同主办的2018年全国物理科普大会9月16日-17日在南开大学召开。张双南在会上透露，中国科学家正准备发起由中国主导的空间国际大科学计划——“探索极端宇宙”国际科学计划。

张双南介绍，“极端宇宙”内涵六个重要的科学问题。极端起源——宇宙大爆炸的极端过程产生的暗物质和普通物质的比例是大约6：1，但是目前还没有发现暗物质粒子。极端能量——高能宇宙线的能量比人造加速器的能量高至少一亿倍，但是其极端粒子加速过程还不清楚。极端天体——宇宙中的高能伽马射线源很可能是宇宙极端高能粒子加速器，但是目前的巡天研究还没有完全证认。极端引力——黑洞提供了宇宙中最强的引力场，但是在这种极端引力条件会发生什么现象还没有精确的观测结果。极端磁场——中子星提供了宇宙中最强的磁场，但是在这种情况下真空涨落会产生什么还没有直接的观测结果。极端密度——中子星内部的物质密度在宇宙中最高，但是其内部是由中子还是夸克物质组成的仍然是未解之谜。每一个问题的解决都可能带来人们对物质世界的颠覆性认识，将人类对自身、对宇宙的认识推进到一个新高度。

张双南将这六个“极端”归为两类，“前三个极端的研究主要靠空间粒子探测，后三个极端的主要研究手段是空间X射线观测。”就此，中国科学家提出了“探索极端宇宙”国际科学计划，这一计划由两个项目组成——空间高能宇宙辐射探测设施（HERD）项目，和增强型X射线时变与偏振空间天文台（eXTP）。

2018年7月12日，美国南极中微子天文台和美国费米伽马射线空间天文台联合宣布超大质量黑洞是高能宇宙线源。然而，只有一例探测，尚未达到科学发现标准的5倍标准偏差。需要未来进一步的中微子和高能伽马射线联合巡天

张双南介绍，HERD采用三维位置分辨五面灵敏的创新设计，计划于2025年安装在中国空间站上开展空间天文和粒子天体物理实验，预计在轨运行10年以上，有望在发现暗物质粒子、解决宇宙线起源问题、发现极端天体等科学问题上取得世界领先的成果。

张双南说：“HERD的核心科学能力将长时间保持大幅度国际领先，将成为中国空间站标志性的旗舰级重大科学实验和具有国际影响的大型国际合作项目。”例如，中国“悟空”暗物质探测卫星在宇宙高能电子谱上探测到了一个“尖峰”，如能确认其存在，无论是暗物质粒子湮灭产生的还是一种新类型的天体或者新机制产生的，都将是非常重大的科学发现，因此引起了国际学术界的强烈关注。“但悟空的数据精度目前只有大约3倍标准偏差的显著性，没有达到国际公认的5倍标准偏差的‘发现’标准（记者注：意为无法完全排除统计涨落或者其它不确定性，尚不能被确认为发现了新现象。）”，“而位于国际空间站的日美合作的空间实验CALET，在国际一流杂志PRL（《物理综述通讯》）上宣布以4倍标准偏差否定了‘悟空’的探测结果，但他们的这个结果的显著性实际上也不够高，而且按照这两个仪器的实际工作情况其测量精度还不如‘悟空’。”张双南说：“那么，只能期待更高精度和更可靠的实验来进行判断。如果HERD能够成功发射，那么半年对这个疑似‘尖峰’的探测就可以达到国际公认的5倍标准偏差的‘发现’标准，彻底解决这个重大学术争论。中国人的科学发现，最好由中国人最后拍板确认！”

作为“慧眼”天文卫星的后续项目，eXTP则将以前所未有的能力揭示极端条件下的物理规律：处于黑洞极强引力场中的物质或者处于中子星表面磁场和核心区的物质。“我们把eXTP 的科学目标总结为‘一奇二星三极端’，通过观测一奇——黑洞、二星——中子星和夸克星，理解三极端——引力、磁场和密度的物理规律”。

国际空间站AMS02实验，造价约20亿美元。是迄今为止空间运行的最大、最复杂、最贵和最重要的单个实验，也是国际空间站的标志性和旗舰级实验

张双南介绍，由这两个项目组成的“探索极端宇宙”国际科学计划，已经和意大利、德国、西班牙、瑞士、英国和法国等多个国家的科研机构和科学家进行了研讨，在一定范围内达成了一致——HERD由中国发起并领导、以欧洲为主的约10个国家参加；eXTP由中国发起并领导、以欧洲为主的约20个国家参加。“这很可能是中国有史以来发起并领导的、由最多的发达国家实质性贡献的最大型国际合作科学项目。这两个项目都提出并且预研了超过10年，创新性强并且技术成熟度高，形成了国际合作团队并且长期开展了大量的合作，也做好了2025年前发射的科学、技术和国际合作的准备。”

∑编辑 | Gemini

来源 | 光明日报