暗物质粒子探测卫星“悟空”示意图。图片来源：新华网

 

 

1997年，美国宇航局在南极开展了一个名为“ATIC”（先进薄电离量能器）的气球探空项目。

 

在那次中美联合试验里，来自中国科学院紫金山天文台的常进发现了一个奇怪的现象：有一个能量段，大家都认为其计数率应该“下降”，但测量的结果却显示为“超出”，也就是不降反增了。

 

一石激起千层浪，科学家反复讨论：这个奇异现象的背后是否隐藏着暗物质的存在？遗憾的是，常进当时所获得的数据太少，置信度不高，因此“无法完全确定”。

 

中国科学院空间科学与应用研究中心主任吴季清晰地记得，13年前，在一台DOS系统的电脑屏幕前，年轻的常进激动地向他展示那条“奇怪的曲线”。“常进跟我说，如果能做一个更大的探测器放在空间，一定能发现了不起的风景。”

 

2008年，以常进为第一作者的论文在《自然》杂志发表。在文中，常进论述了电子“超出”可能来自暗物质湮灭。这是科学家第一次发现宇宙高能电子异常，“搭便车”的研究获得国际瞩目。

  

在常进看来，气球试验让他找到了一种观测高能电子和伽马射线的简单方法，不需要特别昂贵的探测器，“国内也可以干”。

 

2011年12月21日，暗物质粒子探测卫星项目被正式列入中国科学院战略先导专项—空间科学专项，常进担任卫星的首席科学家。

 

4年后的冬天，中国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射，踏上“取经”之路。

 

这只被寄予厚望的中国“顽猴”果然出手不凡，首批重要科学成果于去年11月27日向国际社会公布，为人类观测宇宙打开了一扇新的窗户，并为人类判断暗物质是否存在提供了“关键性数据”。

在暗物质粒子探测卫星首席科学家常进眼中，“悟空”是一颗堪称“满分”的天文卫星。其名源自网络征集，寓意是通过“悟空”的火眼金睛去探寻暗物质这个“妖魔鬼怪”。

“悟空”在同类设备中拥有工作能段最高、能量分辨率最高、粒子鉴别本领最强3项“绝技”。常进介绍，“‘悟空’具有百万选一不出错、同时看100万倍能量范围的能力。说火眼金睛一点也不为过。”

“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星，它最早由紫金山天文台的常进研究员于2005年提出，在原中国科学院基础局、科技部的支持下研制了原理样机。2011年12月21日该项目被正式列入中国科学院战略先导专项-空间科学专项，常进担任卫星的首席科学家。

说起常进与“悟空”之间的故事，时光还要倒退回20多年前。

1997年，美国宇航局在南极开展南极长周期气球项目ATIC，主要目标是观测高能宇宙射线，电子、伽马射线本不在观测之列。

和高能电子、高能伽马射线相比，宇宙线的流量要比它们大成百上千倍，也容易观测得多。“这是个机会！”常进意识到，美国选择的南极，是地球上观测高能电子独一无二的窗口。

于是，常进和他的团队向美国科学家提出建议，把观测高能电子也增加到“ATIC”项目中。通过一年多的计算、实验，最终，美国科学家接受了常进的建议。

1998 年，常进作为中国科学家加入这一项目组。此后7年，常进3次参与南极观测，在3000多万个宇宙线粒子里成功找到210个超出正常能谱的高能电子。

2008年，以常进为第一作者的论文在《自然》杂志发表。在文中，常进论述了电子“超出”可能来自暗物质湮灭，“搭便车”的研究最终获得了国际瞩目的成就。

常进这样总结我国暗物质探测的二十载征程：“1998年提出科学目标，1999年开始在加速器上验证我们的实验方法，2000年开始花了10年时间解决了所有的关键技术，2011年开始花了4年时间研制了一颗卫星。”

2015年12月17日，“悟空”卫星发射成功，踏上“取经”之路。

《自然》杂志刊文指出，“这是中国接下来一系列专注于科学发现的太空任务的第一棒，代表着中国空间科学时代的开始”。

2016年3月，“悟空”号飞天不到3个月，中科院国家空间科学中心即组织专家对卫星进行在轨测试总结评审，当时给出的指标评定为“100分”。

当前主流科学界认为，人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5％，剩余部分由暗物质和暗能量等构成。揭开暗物质之谜，被认为是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后，基础科学领域的又一次重大飞跃。

天体引力对光线的折射所产生的透镜效应，暗示暗物质的存在

常进说，尽管暗物质不会发光、也不与光作用，普通光学观测也无法发现，不过当一对暗物质粒子偶然正碰的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。换言之，如果能够精确测量到这些粒子的能谱，就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。

人类“捕捉”暗物质主要有3种方法：“上天、入地、对撞机”。其中，“上天”是间接探测方法，即“捕捉”暗物质互相湮灭时产生的痕迹。

暗物质的分布

目前，“上天”的暗物质猎手中有3个较为知名，一个是安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪2号，一个是美国宇航局的费米太空望远镜，一个就是中国的“悟空”号。而相比之下，悟空号是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。

悟空号卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。

被寄予厚望的“悟空”果然出手不凡，不到两年的观测期便迎来首批重要科学成果向国际社会公布——“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线，其中包含约150万25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员成功获取了目前国际上最精确的电子宇宙射线探测结果。中国科学院于2017年11月27日对外宣布了这个重大消息，研究成果随后在Nature杂志在线发表。

当然，这个探测结果还不能确认我们已经发现暗物质。“但这一疑似暗物质的踪迹，是近年来科学家离暗物质最近的一次重大发现，也将打开人类观测宇宙的一扇新窗口。”常进对“悟空”号充满信心。

“今天是一个非常重要的日子，也许在人类科学发展的历史上，大家会记住今天。”发布成果那一天，中国科学院院长白春礼十分激动：“因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者，逐渐走到了舞台中央。”

当然，“悟空”号的取经之路，并非一帆风顺。

2017年底的一个休息日，“悟空”号团队的办公室里挤满了人，现场所有人神情凝重：“悟空”号接收到的数据量突然锐减，也就是它用来寻找暗物质的火眼金睛，几乎失明了！

距离悟空“失明”已经近10个小时。从“悟空”呱呱坠地的那一天起，队员们就没日没夜地在帮助它练就一双火眼金睛，目的是为了寻找常人看不见摸不着，遁形在茫茫宇宙中的暗物质。

悟空号卫星示意图。中科院供图

两年来，虽然悟空也有过小病小灾，但是像这样失明，还是第一次。

关机意味着巨大的损失，“悟空”号科学应用系统副总师范一中说：“每天运行成本是70万元，损失500万个事例，尽量能够争取一天是一天，否则一个豪华轿车的钱就没了。”

一场“天地大营救”在紧张的气氛中悄然开始。

通过对“悟空”的载荷工程参数进行会诊，“医生们”判断它的病因很可能是太空中的粒子击中它身上携带的某台计算机，从而导致计算机自动重启了。

基于这个判断，紫金山天文台提出了调整指令的申请。时间一分一秒流失，如果不能在短时间解决问题，就意味着数据的丢失会扩大，损失无法估量。负责控制“悟空”的中科院空间中心和西安卫星测控站，最终通过一系列复杂的指令，把重新启动计算机的信号，发给了天上的“悟空”。

经过19个小时的紧张忙碌，“悟空”的火眼金睛终于重见光明，并继续在天上执行任务。

时至今日，按照设计寿命3年计算，“悟空”号的太空之旅似乎该结束了。但事实显然不是。

今年9月，暗物质粒子探测卫星首席科学家常进曾对媒体表示，“悟空”号已获得近50亿个高能粒子，卫星所有设备运行状态非常好，各种性能和刚发射的时候一样。卫星运行寿命将由设计的3年延长到5年甚至更长时间。前5年，“悟空”号都将巡天观测搜寻暗物质粒子存在的证据，5年后，“悟空”号将有望锁定重点区域转向定点观测。

“粒子物理领域已经进入下半场，希望‘悟空’能够得分。”常进介绍，除了去年底发表的首批暗物质探测成果之外，“悟空”号的另外两大科学任务宇宙线和伽马射线天文研究也已经取得了重要发现。

我们期待“悟空”给我们带来更多新发现，揭开暗物质之谜。

参考资料：

• 《中国“悟空”号卫星突然“失明” 19小时天地大营救上演》央视新闻
• 《世界首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”：“悟空”已探测到近50亿颗高能粒子》央视网
• 《悟空卫星重大发现：师傅，我们找到暗物质粒子了》新华网
• 《发现疑似暗物质踪迹？卫星“悟空”究竟“看”到了啥？》中国科普博览，作者常进
• 《中国第一颗暗物质粒子探测卫星悟空号“取经”记》中国青年报
• 《“悟空”卫星发现电子宇宙射线异常波动 有望揭开暗物质神秘面纱》北京晚报
• 《“悟空”为什么“能”？——首批科学成果的三宗“最”》新华社
• 《“搭便车”的历史偶遇——暗物质卫星“悟空”首席科学家常进的20年求索》新华社
• 《常进：求索20年 让“悟空”问天》中国日报网
• 《任常进：抓住“暗物质”的中国人》外滩画报

来源：科技日报  文中图片除注明外均来自网络

文字整理：朱丽

稿件统筹：岳靓

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