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暗物質粒子探測衛星“悟空”

“過去的一年，那只‘猴子’沒有讓我們失望。”春節后，記者來到中國科學院紫金山天文臺，該臺副臺長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進開門見山地說。

當全國上下都在慶祝新春佳節時，天上那只“猴子”依舊奔跑在500公里高的太陽同步軌道上，忙忙碌碌。

截至2018年年底，中國科學院紫金山天文臺研制的我國第一顆暗物質粒子探測衛星“悟空”號已繞地球飛行了16597圈，探測宇宙射線粒子55億個。

在相同時間內，它積累的TeV(1TeV=1萬億電子伏特)以上的觀測數據相當于國際空間站上的日本量能器電子望遠鏡和阿爾法磁譜儀實驗的5倍以上，意味著完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于這些數據，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果。

看不見摸不著卻與我們息息相關

20世紀30年代，科學家發現，宇宙中可見物質遠遠不足以把星系連成一片，構成星系團，如果不是存在一種神秘而不可見的物質，星系團早就分崩離析。科學家把這種看不見的神秘物質稱為“暗物質”。

到了20世紀70年代，多種天文觀測結果都暗示著暗物質的存在。但直到現在還沒有確切的暗物質信號被探測到。

雖然科學家們還不知道暗物質究竟由什么構成，但通過觀測它如何影響普通物質，并模擬它的引力效應，還是對它有了一些了解。

宇宙中95%以上是暗物質和暗能量，其中暗物質占26.8%。暗物質不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學或電磁波觀測設備直接“看”到。暗物質運行速度很快。科學家測算，暗物質粒子的運動速度為每秒220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

科學家推測暗物質產生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常大，它們劇烈碰撞，產生包括暗物質在內的各種各樣的物質。

宇宙的結構也與暗物質有關。它是促使宇宙中的普通物質在自身引力下形成特定結構的重要推手。暗物質播下了宇宙絲狀結構的種子，隨后可見物質才聚集在一些由暗物質建立起來的引力“核”上，并最終形成了星系。

暗物質對生命來說更是至關重要。假如沒有暗物質的引力作用，我們所在的銀河系將很可能無法在宇宙大爆炸后的膨脹過程中形成。

暗物質這么神秘，我們投入這么多人力物力去尋找它，那么它究竟有什么應用價值呢?

“當年，愛因斯坦也想不到量子力學和相對論有什么應用價值，但是今天我們每個人用到的手機等通訊設備，哪一個離得開這些科學發現?”常進說道。

帶著“水晶棒”的銀白色美猴王

2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學衛星系列首發星——暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空，衛星順利進入預定轉移軌道。這標志著我國空間科學探測研究邁出了重要一步。

“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠鏡，”常進說，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破。”

“悟空”的身材比一般的衛星小巧，“三圍”分別為1.5米、1.5米、1.2米，像盒銀白色的方形蛋糕。“悟空”在太空中接收來自宇宙的高能原子核、電子和伽馬射線的信號，它是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器。

中科院紫金山天文臺研究員袁強介紹說，目前國際上最著名的三個暗物質探測器分別是美國費米衛星、阿爾法磁譜儀AMS-02和我國的“悟空”。三者各有特色，AMS-02可以區分正反物質，費米的探測器面積大，而我們的探測器分辨率最高。

常進說，“悟空”在觀測能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領等方面優于別的探測器，其觀測能段是阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。而費用只有1億美元，分別是美國費米、AMS-02的1/7和1/20。

以《西游記》中的美猴王名字命名的衛星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。

位于衛星核心部位的BGO能量器包含了308根縱橫交錯的晶體，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界上最長的BGO晶體。

這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量。電子和質子與晶體發生相互作用，產生類似淋浴噴水形狀的簇射，而電子和質子產生的簇射形狀不同，因而科學家可以區分出質子和電子。

“年富力強”并將繼續在太空服役

每天清晨和傍晚，“悟空”都會路過中國上空。位于密云、喀什、三亞的三個數據接收站，每天接收它回傳的約16G數據。而常進帶領的團隊就是要從日積月累的海量數據中分析出有價值的科學成果。

而在一年多前，常進團隊就已向世界展示出首批成果：精確測量太空中的電子宇宙射線能譜。該成果于2017年12月7日在國際權威學術期刊《自然》發表。

電子宇宙射線的正常能譜變化應是一條平滑曲線。根據“悟空”積累的觀測數據，科學家們發現在0.9萬億電子伏特處電子能譜呈現出明顯的拐折，并且有初步跡象表明在1.4萬億電子伏特的超高能段呈現出異常波動，反映在圖上是一個“尖峰”。

這些結構只有在觀測精度達到最好的情況下才能被看到，幸運的是，“悟空”做到了!電子能譜在0.9萬億電子伏特處的拐折具有重要的天體物理意義，它反映出宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，并且可以對部分暗物質理論模型給出很強的約束。1.4萬億電子伏特處的異常波動則顯得更引人關注。不過，根據現有數據量和理論模型，還無法斷定這一現象是否就是暗物質蹤跡。

袁強告訴記者，探測暗物質的方式主要分為三類：一是對撞機探測，主要有歐洲核子中心的大型強子對撞機;二是在地下進行的直接探測，我國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展相關實驗;三是間接探測，主要在空間進行。

“悟空”衛星就是采用第三種方式。物理學家們認為，暗物質粒子碰撞后會產生高能粒子，如伽馬射線、正負電子、正反質子、中微子等。暗物質衛星就是精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質粒子存在的證據。

“悟空”設計壽命為3年，目前已經到期，但它看起來依舊“年富力強”。“經過評估，我們認為‘悟空’還可以繼續在太空服役，現在已經被批準延長2年工作時間。”袁強說道。(記者 張 曄)