領跑太空暗物質探測,「悟空」貢獻中國智慧

　　新華社北京11月30日電（記者喻菲　屈婷）中國暗物質粒子探測衛星「悟空」以其完美表現，證明了它是目前人類已發射到太空中的最強高能電子、伽馬射線探測器，能量分辨和粒子鑑別本領達世界最高水平，尤其適合探尋來自暗物質湮滅的蛛絲馬跡。

　　暗物質衛星首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進說，「悟空」打開了觀測高能宇宙的新窗口，展現出了新物理現象。

　　2015年12月17日長徵二號丁運載火箭從酒泉衛星發射中心將「悟空」送入太空。 新華社記者喻菲攝

　　「悟空」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，這一成果30日發表在最新一期《自然》雜誌上。

　　2015年12月17日由長二丁火箭在酒泉衛星發射中心送入太空的「悟空」是中國空間科學系列衛星的首發星，它採用了中國科學家自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法，實現了對高能電子、伽馬射線的「經濟適用型」觀測。「悟空」的研製費用僅為其同類的美國費米衛星的1／7，國際空間站阿爾法磁譜儀2號（AMS02）的1／20。

　　「悟空」表現完美

　　據介紹，「悟空」上天后接受從宇宙洶湧而來的高能宇宙射線，每天收集約500萬個高能粒子，數據量達16GB。目前「悟空」捕捉了35億個高能宇宙線粒子，全天掃描了4次。

　　暗物質衛星藝術構想圖。 紫金山天文臺提供

　　2015年8月，日本將科學目標相似的量能器電子望遠鏡（CALET）放置在國際空間站。「悟空」在CALET之後4個月升空，目前收集到的數據量已是CALET的3至5倍，區分本底（噪音）的水平是其5倍。此外，目前「悟空」觀測到的高能電子是2011年升空的AMS02的5倍以上。這表明，中國在太空探測暗物質領域已達到世界領先水平。

　　悟空」的示意圖。 紫金山天文臺提供

　　「悟空」上天一個月，紫金山天文臺就運用獨立開發的數據分析法繪製出了伽馬射線天圖。當看到這張圖上的斑斑點點時，很多科研人員激動落淚，這意味著「悟空」粒子鑑別本領達到設計指標，因為同時觀測帶電宇宙線粒子和伽馬射線，伽馬射線的流量只有帶電宇宙線粒子的幾十萬分之一，如果衛星上任何一個小探測器工作不正常，都無法得到這張圖。

　　常進說，「悟空」上天后表現非常完美，中國第一次做複雜的科學衛星，就被業內專家評為100分。

　　「悟空」是怎樣的神器？

　　「悟空」僅有一張書桌大小，而它的「火眼金睛」是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的空間暗物質探測器，可以以很高的能量解析度測量高達10TeV（相當於普通日光燈發出的能量的5萬億倍）的粒子。

　　常進介紹，由於尋找暗物質需要各方面信息，暗物質衛星包含塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器和中子探測器四個子科學載荷，能測量高能粒子的能量、方向和電荷，並可以準確鑑別不同粒子。對於多個物理量，「悟空」都有兩種獨立的測量方法，測量精度高。

　　「悟空」內部複雜的線路。 紫金山天文臺提供

　　「悟空」沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根「水晶棒」。

　　暗物質衛星系統副總設計師安琪說，位於衛星核心部位的BGO量能器包含了300多根縱橫交錯排列的晶體，每一根都有2釐米見方、60釐米長，是世界上最長的BGO晶體。這些「水晶棒」能夠測量入射粒子的能量，並且由於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。科學家可以根據簇射形狀區分質子和電子。這種方法使「悟空」得以實現卓越的鑑別粒子本領，可以從5萬個質子中識別出1個電子。

　　如果透視「悟空」腹內，可見密密麻麻導線，其複雜程度令人驚嘆。北京正負電子對撞機上的大型粒子物理實驗裝置北京譜儀有4萬多路電子學系統，而「悟空」有7萬多路，還要放在1立方米的空間內。僅BGO量能器就有8000根電纜，在一元硬幣大小的電路板上要經過16道工序，如何緊密排列使得電磁兼容性最好又不相互幹擾，研製人員做了大量實驗。

　　為人類貢獻中國智慧

　　習近平在中共十九大報告中指出，要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。

　　而中國首顆天文衛星「悟空」正是中國科學家瞄準暗物質探測這一世界科學前沿所研發出的創新型太空探測「利器」。習近平在兩次新年賀詞以及中共十九大報告中都為「悟空」點讚。

　　衛星發射前，設計師們組成了DAMPE字形祝福衛星成功發射。 吉彥超攝

　　1998年，常進就提出了暗物質衛星的概念，歷經近20年衛星終於升入太空，並做出引領性重大突破。如今，中國科學家創造的粒子鑑別方法在日本和美國的空間探測器上也都得到應用。

　　常進說，「悟空」在「高能電子、伽馬射線的能量測量準確度」以及「區分不同種類粒子的本領」這兩項關鍵技術指標方面世界領先，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產生的一些特徵信號，特別是能譜中的精細結構。

　　常進說，探測中最關鍵的問題就是區分「噪音」的本領，也就是鑑別粒子的本領。「天上粒子多種多樣，我們最關心的是電子和伽馬射線。在TeV以上，質子流量是電子流量的1000倍，電子流量是伽馬射線的數百倍。我們要把流量相差幾乎100萬倍的不同粒子區分清楚，還要準確測出這些粒子的能量、方向、電荷。」

　　這樣的難度堪比在暴風雨中分辨出燕子的呢喃。

　　尋找暗物質的過程就像與幽靈捉迷藏。「天下武功唯快不破，只有儀器越靈敏才越有可能做出新發現。」常進說。

　　如果將暗物質衛星比作追捕獵物所需的「好刀」，光有「好刀」還不夠，還需要鑽研出厲害的「刀法」。經過重重困難收集到粒子後，還要經過縝密地處理與分析，關於暗物質的秘密才有可能被揭露出來。

　　自然科研中國區科學總監印格致說：「我們現在還不知道『悟空』的探測結果意味著什麼，但是這些結果出乎意料，它們有可能改變我們看待宇宙的方式。此次的成果展示了中國技術實力發展的一個裡程碑。這一研究中所需的精湛技術無與倫比，未來可能會幫助中國解決其他我們現在還想不到的技術挑戰。」

　　測試中的暗物質衛星。 吉彥超攝

　　他說，中國對於基礎科學的支持不僅反映了中國正日益走近世界舞臺中央的決心，同時也展示了中國對於基礎科學是創新型經濟發展引擎的深刻理解。

　　香港大學副教授、國際高能天體物理學羅斯獎獲得者蘇萌說：「在人類科學進程中，很少看到東方文化的影子。作為崛起的大國，中國發展到現在這個階段，有能力和條件為人類文明進步做出貢獻，在科學探索中留下中國人的腳印，我想這是中國科學家奮鬥的意義和價值所在。」

　　中科院院長白春禮說，也許在人類科學發展的歷史上，大家會記住今天。因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。（實習生曹鵬遠對此文有貢獻）