承載著中國人空間科學(xué)夢想的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”，17日已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心飛上太空。它的火眼金睛，能否揭開籠罩在現(xiàn)代物理學(xué)天空的兩朵“烏云”——暗物質(zhì)和暗能量？且看《經(jīng)濟(jì)日報(bào)》記者采寫的報(bào)道。

　　看不見的大多數(shù)

　　宇宙如此浩渺，星空如此璀璨。當(dāng)你仰望星空時，你發(fā)現(xiàn)了什么？

　　牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，用它解釋了太陽系天體的運(yùn)動規(guī)律。

　　愛因斯坦得出了相對論，它可以描述時空的彎曲，也可以預(yù)示宇宙的膨脹。

　　根據(jù)萬有引力定律，恒星的運(yùn)動速度會隨著與星系中心距離的變遠(yuǎn)而下降。但天文學(xué)觀測結(jié)果卻是，星系邊緣的恒星運(yùn)動速度并未變慢，這意味著有看不見的物質(zhì)影響了星系間的引力效應(yīng)，它們被稱作“暗物質(zhì)”。

　　按照宇宙大爆炸理論，宇宙的膨脹速度會因?yàn)槲镔|(zhì)之間的引力作用而逐漸減慢，但天文學(xué)觀測結(jié)果顯示，宇宙在加速膨脹，這說明有一種與引力相反的斥力，在促使所有星系加速遠(yuǎn)離。這種神秘的斥力來源，被稱作“暗能量”。

　　“暗”字，表明它們看不見、測不到。

　　最新天文觀測結(jié)果說，如果把宇宙看做一塊大餅，暗物質(zhì)占26.8%，暗能量占68.3%，而我們?nèi)祟惸芸吹交蛴^測到的普通物質(zhì)，包括普通重子物質(zhì)、光子和中微子等，僅占4.9%。

　　暗物質(zhì)和暗能量是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云，飛上太空的衛(wèi)星“悟空”，就肩負(fù)著用它的火眼金睛撥云見日的偉任。

　　“一旦找到暗物質(zhì)，將會帶來繼相對論和量子力學(xué)之后，物理學(xué)的又一次革命性突破?！卑滴镔|(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進(jìn)說。

　　既不帶電荷、也沒有磁場的相互作用，暗物質(zhì)像幽靈一樣神秘而無法感知。對大多數(shù)參與暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星研制工作的科學(xué)家來說，它是素未謀面的朋友，最熟悉的陌生人。

　　暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程衛(wèi)星系統(tǒng)總師李華旺介紹，要找到這位神秘朋友，目前有三條路線：

　　“創(chuàng)造”法，靠標(biāo)準(zhǔn)模型粒子之間相互作用產(chǎn)生暗物質(zhì)?！皠?chuàng)造”暗物質(zhì)粒子需要能量，雖然暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到，但從丟失的能量和分布可推測暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC被認(rèn)為可能“創(chuàng)造”出暗物質(zhì)粒子。

　　直接探測法，探測暗物質(zhì)粒子和普通原子核碰撞所產(chǎn)生的信號。由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號也很微弱，為降低干擾，需要把探測器放置在很深的地下。我國已在四川錦屏山地面以下2400米處建立了世界上最深的錦屏實(shí)驗(yàn)室，開展暗物質(zhì)探測研究。

　　間接探測法，暗物質(zhì)和暗物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生新的可見粒子，通過它來反推暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”就屬于此種。

　　“悟空”不是唯一的，卻是最棒的，它是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。

　　“4個月前日本發(fā)射的暗物質(zhì)探測器，接收面積只是我們的1/4。悟空1個月頂它4個月，上天后很快就會積累超過日本的數(shù)據(jù)?！毙l(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授安琪自豪地說。

　　超精密的小蛋糕

　　“悟空”是第一顆完全由中國科學(xué)院系統(tǒng)研制、生產(chǎn)的衛(wèi)星。從2011年立項(xiàng)至今，科學(xué)家們?yōu)榱藷挸鏊幕鹧劢鹁?，可謂殫精竭慮、妙想紛呈。

　　衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與過去用載荷來適應(yīng)衛(wèi)星平臺、載荷只占衛(wèi)星總重量幾分之一的中國式衛(wèi)星設(shè)計(jì)不同，采取了以載荷為中心的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓“悟空”體積小、重量輕、本事大。

　　“悟空”只有一張辦公桌大；體重不足兩噸，1850公斤的質(zhì)量中，載荷就達(dá)1410公斤，衛(wèi)星平臺才440公斤，用“小車”拉動了“重貨”。“悟空”的載荷主要是四大探測器，從頂部到底部依次為：塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器。它們一層層組裝起來，就像一個昂貴而復(fù)雜的蛋糕。

　　如何區(qū)分一個粒子？你需要知道粒子的信息，用能量、質(zhì)量、電荷、入射角度、徑跡來描繪它的模樣，四大探測器便為此而設(shè)，構(gòu)成了悟空的火眼金睛。

　　塑閃陣列探測器主要由中科院蘭州近代物理研究所研制，是一個扁平結(jié)構(gòu)的探測器，主要測量入射宇宙線粒子的電荷。塑閃的溫度適應(yīng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是整個暗物質(zhì)探測器研制中攻破的關(guān)鍵技術(shù)之一。塑閃分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉杰說：“塑閃條很長，伸縮大，我們?yōu)檫m應(yīng)太空環(huán)境，設(shè)計(jì)了一端可滑動的結(jié)構(gòu)。一端固定，一端放松，克服了形變帶來的問題。”衛(wèi)星上天加速度巨大，震動劇烈，一般部件都要擰緊，放松滑動的結(jié)構(gòu)是個全新挑戰(zhàn)，怎么做到的？劉杰表示，這是個秘技，她才不會告訴你，但這個秘技毫無疑問可以用到未來我國其他航天器的設(shè)計(jì)中去。

　　硅陣列探測器主要由中科院高能物理研究所研制，主要功能是測量粒子入射的路徑和軌跡。該分系統(tǒng)主管設(shè)計(jì)師龔軻介紹：“我們的科研難點(diǎn)和重點(diǎn)，在于通道非常多，共73728路硅微條，每個條寬只有192微米，必須有這么密集的硅微條，才能保證很高的位置分辨率。”這是我國第一次在航天器中如此大規(guī)模采用硅微條，它的功耗控制也超棒，才84瓦，相當(dāng)于一臺家用電風(fēng)扇。

　　BGO量能器主要由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中科院紫金山天文臺研制，它是衛(wèi)星的核心部分，占整個衛(wèi)星的一多半質(zhì)量，功能是測量宇宙線粒子的能量。BGO晶體的長度決定了探測器的能量分辨能力。中科院上海硅酸鹽研究所研發(fā)出長達(dá)60cm的BGO晶體供“悟空”選用，而其他國家的BGO晶體一般只能長到30cm。308根世界最長的BGO“水晶棒”在量能器中縱橫交錯排列，讓“悟空”的能量測量能力遠(yuǎn)超同儕?！拔蚩盏哪芰繙y量范圍，是阿爾法磁譜儀2號的幾十倍。”該分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師封常青說。

　　中子探測器主要由中科院紫金山天文臺研制，中子探測器主任設(shè)計(jì)師馬濤介紹，它會測量宇宙線粒子與探測器上層物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級中子，讓科學(xué)家進(jìn)一步區(qū)分宇宙線的成分。

　　在地球上研究粒子物理，需要非常大的探測器，但衛(wèi)星不能做那么大。為此，四個探測器結(jié)構(gòu)緊密，能省則省，讓小塊頭也有大本事。暗物質(zhì)衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、中科院國家空間科學(xué)中心研究員朱巖介紹，整個探測器有42000路電子學(xué)讀出電路，接近8萬路探測器通道數(shù)。如此復(fù)雜的探測器主體，卻需要安裝在約1立方米的狹小空間內(nèi)，技術(shù)難度超過了我國目前所有的上天高能探測設(shè)備。

　　不確定的新發(fā)現(xiàn)

　　在國際同類探測器里，“悟空”處于什么水平？

　　“能量分辨率、觀測能段范圍都是世界第一，空間分辨率、本底抑制都達(dá)到國際最高水平。”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)對“悟空”的“神通”如數(shù)家珍。

　　現(xiàn)在，“悟空”正在高度約500公里的太陽同步軌道上快樂地飛行，它的主要科學(xué)目標(biāo)有三個：暗物質(zhì)粒子間接探測、宇宙射線起源和伽馬射線天文。它的火眼金睛，每天要觀測約500萬個高能粒子、傳回16G數(shù)據(jù)。

　　按設(shè)計(jì)，“悟空”將在軌工作三年以上。頭兩年采取巡天觀測模式，對全天區(qū)進(jìn)行掃描，探測暗物質(zhì)存在方位。兩年后轉(zhuǎn)入定向觀測模式，觀測前一階段探測結(jié)果分析出的暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)區(qū)域，如果巡天模式下未探測到暗物質(zhì)，則考慮定向觀測國外研究顯示最可能出現(xiàn)暗物質(zhì)的銀心區(qū)域。

　　在“悟空”巡天期間，有100余人的地面科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對它傳回的數(shù)據(jù)開展分析研究，首批科研成果可能會在半年至一年后公布。

　　宇宙空間是人類最后的實(shí)驗(yàn)室，宇宙射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上?！拔蚩铡彼岢龅挠^測對象和觀測能區(qū)到目前為止都是國際上的第一次?！叭祟惖拿總€‘第一次’觀測，都會有許多預(yù)見不到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，我們期望這次觀測也能得到許多‘第一次’的發(fā)現(xiàn)?！背＿M(jìn)說。

　　如何確認(rèn)“悟空”是否發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)？

　　紫金山天文臺研究員馬濤向記者介紹，暗物質(zhì)粒子相互作用，正反物質(zhì)發(fā)生湮滅，產(chǎn)生電信號，會在科學(xué)儀器中體現(xiàn)出來。“不同電子的流量分布，正常情況下是平滑的衰減曲線。如果曲線上出現(xiàn)小鼓包，就可能有暗物質(zhì)。我們懷疑，這鼓包會出現(xiàn)在‘悟空’可以探測的高能譜區(qū)?！瘪R濤說。

　　“‘悟空’開始工作后，我們能在太空中，在更長時間和更大范圍里探測暗物質(zhì)，有希望獲得比較準(zhǔn)確的、可以說服所有科學(xué)家的暗物質(zhì)跡象。”馬濤說。

　　“‘悟空’為我們在空間打開一扇新的窗口，我不能肯定它會找到暗物質(zhì)，但肯定會有新發(fā)現(xiàn)?！背＿M(jìn)表示，暗物質(zhì)的基本物理性質(zhì)還不清楚，但高能譜區(qū)電子有異常則可以肯定，“我們不確定這種異常是否來自暗物質(zhì)，但只要弄清楚這個異常，就是很大的成果”。

　　事實(shí)上，不僅是高能電子能譜，“悟空”觀測到的伽馬射線譜線、伽馬射線空間分布等都可用于研究暗物質(zhì)。

　　金猴奮起千鈞棒，玉宇澄清萬里埃。

　　我們期待，攜著水晶棒上天的“悟空”，能用它的火眼金睛，讓暗物質(zhì)由暗轉(zhuǎn)明，讓人類看見一個更清晰的宇宙。