隨著科學(xué)大發(fā)展，人們對物質(zhì)世界的研究向著微觀——基本粒子，和宏觀——宇宙研究兩個極端不斷延伸。在中國科學(xué)院高能物理研究所張雙南研究員看來，從研究內(nèi)容和手段而言，微觀的無窮小與宏觀的無窮大是密不可分，“對粒子物理研究而言，空間實驗是不可替代的手段，粒子物理研究方法可以在空間實現(xiàn)，而對宇宙的研究也需要我們到太空中去。這類極端問題有共同物理過程：引力、磁場、加速，它們共同的研究基礎(chǔ)是粒子天體物理。”

宇宙起源與演化的標準模型

由中國物理學(xué)會、南開大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所共同主辦的2018年全國物理科普大會9月16日-17日在南開大學(xué)召開。張雙南在會上透露，中國科學(xué)家正準備發(fā)起由中國主導(dǎo)的空間國際大科學(xué)計劃——“探索極端宇宙”國際科學(xué)計劃。

張雙南介紹，“極端宇宙”內(nèi)涵六個重要的科學(xué)問題。極端起源——宇宙大爆炸的極端過程產(chǎn)生的暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的比例是大約6：1，但是目前還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子。極端能量——高能宇宙線的能量比人造加速器的能量高至少一億倍，但是其極端粒子加速過程還不清楚。極端天體——宇宙中的高能伽馬射線源很可能是宇宙極端高能粒子加速器，但是目前的巡天研究還沒有完全證認。極端引力——黑洞提供了宇宙中最強的引力場，但是在這種極端引力條件會發(fā)生什么現(xiàn)象還沒有精確的觀測結(jié)果。極端磁場——中子星提供了宇宙中最強的磁場，但是在這種情況下真空漲落會產(chǎn)生什么還沒有直接的觀測結(jié)果。極端密度——中子星內(nèi)部的物質(zhì)密度在宇宙中最高，但是其內(nèi)部是由中子還是夸克物質(zhì)組成的仍然是未解之謎。每一個問題的解決都可能帶來人們對物質(zhì)世界的顛覆性認識，將人類對自身、對宇宙的認識推進到一個新高度。

張雙南將這六個“極端”歸為兩類，“前三個極端的研究主要靠空間粒子探測，后三個極端的主要研究手段是空間X射線觀測。”就此，中國科學(xué)家提出了“探索極端宇宙”國際科學(xué)計劃，這一計劃由兩個項目組成——空間高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD）項目，和增強型X射線時變與偏振空間天文臺（eXTP）。

2018年7月12日，美國南極中微子天文臺和美國費米伽馬射線空間天文臺聯(lián)合宣布超大質(zhì)量黑洞是高能宇宙線源。然而，只有一例探測，尚未達到科學(xué)發(fā)現(xiàn)標準的5倍標準偏差。需要未來進一步的中微子和高能伽馬射線聯(lián)合巡天

張雙南介紹，HERD采用三維位置分辨五面靈敏的創(chuàng)新設(shè)計，計劃于2025年安裝在中國空間站上開展空間天文和粒子天體物理實驗，預(yù)計在軌運行10年以上，有望在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子、解決宇宙線起源問題、發(fā)現(xiàn)極端天體等科學(xué)問題上取得世界領(lǐng)先的成果。

張雙南說：“HERD的核心科學(xué)能力將長時間保持大幅度國際領(lǐng)先，將成為中國空間站標志性的旗艦級重大科學(xué)實驗和具有國際影響的大型國際合作項目。”例如，中國“悟空”暗物質(zhì)探測衛(wèi)星在宇宙高能電子譜上探測到了一個“尖峰”，如能確認其存在，無論是暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的還是一種新類型的天體或者新機制產(chǎn)生的，都將是非常重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，因此引起了國際學(xué)術(shù)界的強烈關(guān)注。“但悟空的數(shù)據(jù)精度目前只有大約3倍標準偏差的顯著性，沒有達到國際公認的5倍標準偏差的‘發(fā)現(xiàn)’標準（記者注：意為無法完全排除統(tǒng)計漲落或者其它不確定性，尚不能被確認為發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象。）”，“而位于國際空間站的日美合作的空間實驗CALET，在國際一流雜志PRL（《物理綜述通訊》）上宣布以4倍標準偏差否定了‘悟空’的探測結(jié)果，但他們的這個結(jié)果的顯著性實際上也不夠高，而且按照這兩個儀器的實際工作情況其測量精度還不如‘悟空’。”張雙南說：“那么，只能期待更高精度和更可靠的實驗來進行判斷。如果HERD能夠成功發(fā)射，那么半年對這個疑似‘尖峰’的探測就可以達到國際公認的5倍標準偏差的‘發(fā)現(xiàn)’標準，徹底解決這個重大學(xué)術(shù)爭論。中國人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，最好由中國人最后拍板確認！”

作為“慧眼”天文衛(wèi)星的后續(xù)項目，eXTP則將以前所未有的能力揭示極端條件下的物理規(guī)律：處于黑洞極強引力場中的物質(zhì)或者處于中子星表面磁場和核心區(qū)的物質(zhì)。“我們把eXTP 的科學(xué)目標總結(jié)為‘一奇二星三極端’，通過觀測一奇——黑洞、二星——中子星和夸克星，理解三極端——引力、磁場和密度的物理規(guī)律”。

國際空間站AMS02實驗，造價約20億美元。是迄今為止空間運行的最大、最復(fù)雜、最貴和最重要的單個實驗，也是國際空間站的標志性和旗艦級實驗

張雙南介紹，由這兩個項目組成的“探索極端宇宙”國際科學(xué)計劃，已經(jīng)和意大利、德國、西班牙、瑞士、英國和法國等多個國家的科研機構(gòu)和科學(xué)家進行了研討，在一定范圍內(nèi)達成了一致——HERD由中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)、以歐洲為主的約10個國家參加；eXTP由中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)、以歐洲為主的約20個國家參加。“這很可能是中國有史以來發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的、由最多的發(fā)達國家實質(zhì)性貢獻的最大型國際合作科學(xué)項目。這兩個項目都提出并且預(yù)研了超過10年，創(chuàng)新性強并且技術(shù)成熟度高，形成了國際合作團隊并且長期開展了大量的合作，也做好了2025年前發(fā)射的科學(xué)、技術(shù)和國際合作的準備。”

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來源 | 光明日報

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