我國(guó)首個(gè)天文衛(wèi)星“悟空”，有望揭開(kāi)暗物質(zhì)神秘面紗

張曄

當(dāng)全國(guó)上下都在慶祝國(guó)慶、中秋佳節(jié)時(shí)，天上那只“猴子”依舊奔跑在太陽(yáng)同步軌道上，忙忙碌碌。

而500公里之下的中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)“悟空”號(hào)科研團(tuán)隊(duì)，在首席科學(xué)家常進(jìn)院士的帶領(lǐng)下也沒(méi)閑著，他們正在深入分析宇宙線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)數(shù)據(jù)。

自2015年12月20日接收到第一幀數(shù)據(jù)至2020年9月30日，“悟空”號(hào)衛(wèi)星已在軌飛行1746天，完成了全天區(qū)的第9遍掃描，共探測(cè)并處理了約86.9億個(gè)高能粒子。

“悟空號(hào)的設(shè)計(jì)壽命為3年，目前探測(cè)器及衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)良好，已于2019年1月正式進(jìn)行首次延壽運(yùn)行，為期2年?；谖蚩仗?hào)目前優(yōu)異的工作狀態(tài)，可望于2021年1月再次延壽運(yùn)行。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一范一中研究員告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

美猴王的“水晶棒”將撥開(kāi)暗物質(zhì)“烏云”

2015年12月17日8時(shí)12分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功地將中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空?！斑@是中國(guó)科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠(yuǎn)鏡。”常進(jìn)說(shuō)，它有望深刻地變革人類(lèi)的宇宙觀(guān)，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破。

“悟空”的使命是尋找宇宙暗物質(zhì)?？茖W(xué)家推測(cè)，宇宙中95%以上是暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占26.8%。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無(wú)法用任何光學(xué)或電磁波觀(guān)測(cè)設(shè)備直接“看”到。

人類(lèi)探測(cè)暗物質(zhì)的方式主要分為三類(lèi)：一是對(duì)撞機(jī)探測(cè)，主要有歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī);二是在地下進(jìn)行的直接探測(cè)，我國(guó)在四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室中正在開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn);三是間接探測(cè)，主要在空間進(jìn)行。

“悟空”衛(wèi)星就是采用第三種方式。物理學(xué)家們認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)產(chǎn)生高能粒子，如伽馬射線(xiàn)、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子等。暗物質(zhì)衛(wèi)星就是精確探測(cè)這些粒子，通過(guò)其能譜、空間分布來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

目前，國(guó)際上有三個(gè)著名的暗物質(zhì)探測(cè)器，“悟空”是世界上迄今為止觀(guān)測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器。

以《西游記》中的美猴王名字命名的衛(wèi)星“悟空”，沒(méi)有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。

衛(wèi)星的BGO能量器包含了308根縱橫交錯(cuò)的晶體，每一根都有2.5厘米見(jiàn)方、60厘米長(zhǎng)，這是世界最長(zhǎng)的BGO晶體。這些漂亮的

“水晶棒”能夠測(cè)量入射粒子的能量，從而獲取宇宙粒子的蛛絲馬跡。

“年富力強(qiáng)”的“悟空”還將繼續(xù)服役

每天清晨和傍晚，“悟空”都會(huì)路過(guò)中國(guó)上空。位于密云、喀什、三亞的三個(gè)數(shù)據(jù)接收站，每天接收它回傳的約16G數(shù)據(jù)。而“悟空”號(hào)科研團(tuán)隊(duì)就是要從日積月累的海量數(shù)據(jù)中分析出有價(jià)值的科學(xué)成果。

早在2017年，“悟空”號(hào)科研團(tuán)隊(duì)就已向世界展示出首批成果：精確測(cè)量太空中的電子宇宙射線(xiàn)能譜。2019年，團(tuán)隊(duì)再次公布了對(duì)質(zhì)子宇宙射線(xiàn)能譜的精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)能譜上存在一處新的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們推測(cè)，這可能是鄰近某宇宙射線(xiàn)源的印記。

科學(xué)家從宇宙射線(xiàn)能譜中得出的判斷是否準(zhǔn)確，有兩個(gè)相關(guān)因素：一是累積的數(shù)據(jù)量，二是背景的干擾。數(shù)據(jù)量當(dāng)然多多益善，而背景則是越低越好。

因此，常進(jìn)院士的生活規(guī)律就是早上醒來(lái)先看前一天衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總結(jié)報(bào)告，每晚看完當(dāng)天已下載數(shù)據(jù)的分析才能入眠。

目前，“悟空”號(hào)科研團(tuán)隊(duì)正開(kāi)展氦核宇宙射線(xiàn)能譜分析?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)氦核能譜也存在類(lèi)似質(zhì)子譜的拐折結(jié)構(gòu)，將為我們進(jìn)一步理解宇宙射線(xiàn)起源這一世紀(jì)謎題提供重要數(shù)據(jù)?！弊辖鹕教煳呐_(tái)袁強(qiáng)研究員告訴記者。

此外，“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)還在伽馬射線(xiàn)數(shù)據(jù)中搜尋暗物質(zhì)信號(hào)，并正積極推動(dòng)下一代暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星——“甚大面積伽馬射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡（VLAST）”的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

（選自2020年10月9日《科技日?qǐng)?bào)》，本刊有改動(dòng)）