“悟空”号卫星： 拨开暗物质的“乌云”

张 晔

2019年03月11日  来源：科技日报

　　“过去的一年，那只‘猴子’没有让我们失望。”春节后，记者来到中国科学院紫金山天文台，该台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进开门见山地说。

　　当全国上下都在庆祝新春佳节时，天上那只“猴子”依旧奔跑在500公里高的太阳同步轨道上，忙忙碌碌。

　　截至2018年年底，中国科学院紫金山天文台研制的我国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号已绕地球飞行了16597圈，探测宇宙射线粒子55亿个。

　　在相同时间内，它积累的TeV（1TeV=1万亿电子伏特）以上的观测数据相当于国际空间站上的日本量能器电子望远镜和阿尔法磁谱仪实验的5倍以上，意味着完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于这些数据，科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

　　看不见摸不着却与我们息息相关

　　20世纪30年代，科学家发现，宇宙中可见物质远远不足以把星系连成一片，构成星系团，如果不是存在一种神秘而不可见的物质，星系团早就分崩离析。科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。

　　到了20世纪70年代，多种天文观测结果都暗示着暗物质的存在。但直到现在还没有确切的暗物质信号被探测到。

　　虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成，但通过观测它如何影响普通物质，并模拟它的引力效应，还是对它有了一些了解。

　　宇宙中95%以上是暗物质和暗能量，其中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用，它无法用任何光学或电磁波观测设备直接“看”到。暗物质运行速度很快。科学家测算，暗物质粒子的运动速度为每秒220千米，是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

　　科学家推测暗物质产生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常大，它们剧烈碰撞，产生包括暗物质在内的各种各样的物质。

　　宇宙的结构也与暗物质有关。它是促使宇宙中的普通物质在自身引力下形成特定结构的重要推手。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力“核”上，并最终形成了星系。

　　暗物质对生命来说更是至关重要。假如没有暗物质的引力作用，我们所在的银河系将很可能无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中形成。

　　暗物质这么神秘，我们投入这么多人力物力去寻找它，那么它究竟有什么应用价值呢？

　　“当年，爱因斯坦也想不到量子力学和相对论有什么应用价值，但是今天我们每个人用到的手机等通讯设备，哪一个离得开这些科学发现？”常进说道。

　　带着“水晶棒”的银白色美猴王

　　2015年12月17日8时12分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道。这标志着我国空间科学探测研究迈出了重要一步。

　　“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空间望远镜，”常进说，“它有望深刻地变革人类的宇宙观，实现空间科学重大突破。”

　　“悟空”的身材比一般的卫星小巧，“三围”分别为1.5米、1.5米、1.2米，像盒银白色的方形蛋糕。“悟空”在太空中接收来自宇宙的高能原子核、电子和伽马射线的信号，它是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

　　中科院紫金山天文台研究员袁强介绍说，目前国际上最著名的三个暗物质探测器分别是美国费米卫星、阿尔法磁谱仪AMS-02和我国的“悟空”。三者各有特色，AMS-02可以区分正反物质，费米的探测器面积大，而我们的探测器分辨率最高。

　　常进说，“悟空”在观测能段范围、能量分辨率、粒子鉴别本领等方面优于别的探测器，其观测能段是阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。而费用只有1亿美元，分别是美国费米、AMS-02的1/7和1/20。

　　以《西游记》中的美猴王名字命名的卫星“悟空”，没有携带金箍棒，却带了300多根“水晶棒”。

　　位于卫星核心部位的BGO能量器包含了308根纵横交错的晶体，每一根都有2.5厘米见方、60厘米长，是世界上最长的BGO晶体。

　　这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量。电子和质子与晶体发生相互作用，产生类似淋浴喷水形状的簇射，而电子和质子产生的簇射形状不同，因而科学家可以区分出质子和电子。

　　“年富力强”并将继续在太空服役

　　每天清晨和傍晚，“悟空”都会路过中国上空。位于密云、喀什、三亚的三个数据接收站，每天接收它回传的约16G数据。而常进带领的团队就是要从日积月累的海量数据中分析出有价值的科学成果。

　　而在一年多前，常进团队就已向世界展示出首批成果：精确测量太空中的电子宇宙射线能谱。该成果于2017年12月7日在国际权威学术期刊《自然》发表。

　　电子宇宙射线的正常能谱变化应是一条平滑曲线。根据“悟空”积累的观测数据，科学家们发现在0.9万亿电子伏特处电子能谱呈现出明显的拐折，并且有初步迹象表明在1.4万亿电子伏特的超高能段呈现出异常波动，反映在图上是一个“尖峰”。

　　这些结构只有在观测精度达到最好的情况下才能被看到，幸运的是，“悟空”做到了！电子能谱在0.9万亿电子伏特处的拐折具有重要的天体物理意义，它反映出宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，并且可以对部分暗物质理论模型给出很强的约束。1.4万亿电子伏特处的异常波动则显得更引人关注。不过，根据现有数据量和理论模型，还无法断定这一现象是否就是暗物质踪迹。

　　袁强告诉记者，探测暗物质的方式主要分为三类：一是对撞机探测，主要有欧洲核子中心的大型强子对撞机；二是在地下进行的直接探测，我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；三是间接探测，主要在空间进行。

　　“悟空”卫星就是采用第三种方式。物理学家们认为，暗物质粒子碰撞后会产生高能粒子，如伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。暗物质卫星就是精确探测这些粒子，通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

　　“悟空”设计寿命为3年，目前已经到期，但它看起来依旧“年富力强”。“经过评估，我们认为‘悟空’还可以继续在太空服役，现在已经被批准延长2年工作时间。”袁强说道。