暗物質衛星上天 揭秘暗物質是什麼?怎麼存在的?

　　工程三大階段

　　探測衛星「悟空」

暗物質粒子探測衛星想像圖　　

17日8時12分，我國在酒泉衛星發射中心用長徵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。這標誌著我國空間科學探測研究邁出重要一步。

「悟空」是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星，超過國際上所有同類探測器。它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務，探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規律。

佔宇宙95％以上的暗物質和暗能量由萬有引力定律證實存在，卻從未被直接觀測到。暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。包括我國在內的世界各國正在籌建或實施多個暗物質探測實驗項目，其研究成果可能帶來基礎科學領域的重大突破。

據介紹，「悟空」由四個有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO能量器和中子探測器。所有探測器及電子設備安裝在1個立方米的空間內，技術難度超過了我國目前所有的上天高能探測設備。

此次發射的暗物質衛星全部由中科院研製、生產。工程2011年立項，造價1億美元，遠低於國外同類探測器。衛星每天將傳回約16G數據量，地面100餘人的科學家團隊將對數據展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年後發布。

用於發射的長徵二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術研究院抓總研製，這是長徵系列運載火箭的第221次飛行。

中科院國家空間科學中心主任吳季表示，暗物質粒子探測衛星的成功發射和在軌運行將有望推動我國科學家在暗物質探測領域取得重大突破，對促進我國空間科學領域的創新發展具有重大意義。

除暗物質衛星外，我國科學衛星系列還將陸續發射量子科學實驗衛星、實踐十號返回式科學試驗衛星、硬X射線調製望遠鏡衛星。

目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的探測器

「悟空」與它的「火眼金睛」

在寒冬的中國西北荒漠，長徵二號丁運載火箭迎著漸露的晨曦，噴著熊熊火焰，將一顆名叫「悟空」的衛星送往被黑暗主宰的宇宙，尋找神秘莫測，幽靈一般的暗物質。

「這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡，」暗物質衛星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說，「它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破。」

A 「悟空」如何施展「神通」

「悟空」的身材比一般的衛星小巧，長寬高只有1.5米、1.5米、1.2米，像盒銀白色的方形蛋糕。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探測器。

常進說，中國暗物質衛星的觀測能段是國際空間站「阿爾法磁譜儀」的10倍，能量解析度比國際同類探測器高3倍以上。

「悟空」將面朝太空，接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。由於暗物質可能存在於任何區域，它頭兩年將對全天掃描，探測暗物質存在的方位。兩年後，根據全天區探測的分析結果，它將對暗物質最可能出現的區域開展定向觀測。

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有發現。」常進說。「悟空」就是通過提高能量分辨和空間分辨的本領，降低宇宙射線背景噪音，並且把探測器做得足夠大等方法提高靈敏度。

B 帶了300多根「水晶棒」

以《西遊記》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」。

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能量器包含了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，研製難度非常高。整個衛星中，BGO能量器的重量就佔了多半。

這些漂亮的「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，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。

暗物質衛星系統總設計師李華旺透露，衛星採用的是以載荷為中心的一體化結構設計。中國以前的衛星載荷只佔總重量的幾分之一，但是這顆衛星載荷重量佔了絕大部分。

「相當於『悟空』用輕盈的身軀背負了3.2倍體重的探測儀器。」他說。

國際空間站的阿爾法磁譜儀、美國的FERMI衛星以及中國的「悟空」各有特色：阿爾法磁譜儀可以區分正反物質，FERMI的探測器面積大，中國的「悟空」最厚，可以測量得非常準，以很高的能量解析度測量高達1～10TeV的粒子（相當於普通日光燈發出的能量的1萬億倍）。同時，「悟空」的研製費用僅為FERMI和阿爾法磁譜儀的七分之一和二十分之一。

C 在太空創造中國的第一次

自暗物質被發現80多年來，科學家還從未探測到暗物質的明確信號。常進坦言，如果期望暗物質衛星一下就能準確找到暗物質，這個期望指數太高了。暗物質的基本物理性質還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證找到暗物質。

「但只要衛星工作正常，就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口，必然會發現很多新奇的現象。」常進說，「衛星除了尋找暗物質外，還是一個宇宙射線望遠鏡，可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發現了將近100年，但那麼高能量的宇宙射線究竟來自於什麼？人類到現在也沒有弄清楚，這很奇怪。」

常進說，尋找暗物質需要全世界科學家的共同努力，何時能發現暗物質尚難以預計。至於發現暗物質後能如何利用，常進說，量子物理剛發現時，人們認為一點用處都沒有，但是現在什麼都與量子物理有關係。

「我們只有弄清暗物質的物理本質以後，才能說它對未來產生什麼作用，但是物理的進步會導致科技的進步，這是百分之百肯定的。」他說。

暗物質衛星工程總師艾長春說，以前中國科學家只能將研製的儀器搭載在其他衛星上開展空間科學研究。發射「悟空」，是第一次由中國科學家主導的大型空間科學實驗。

吳季說，中國第一顆人造地球衛星發射已有45年，但中國的空間科學衛星還未成系列。現在中國已成為航天大國，要向航天強國轉變，就不能沒有空間科學衛星。

常進說，「以前我們和國際上差太多了，人家跟我們都不討論。今天在某些領域，我們和國際同行平起平坐。只要大家埋頭幹，中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破。」

記者 喻菲 王晨曦吳晶晶

（據新華社酒泉12月17日新媒體專電）

延伸閱讀

「金牌火箭」護送「悟空」上太空

據新華社酒泉12月17日新媒體專電（記者喻菲 吳晶晶姬少亭）17日清晨在酒泉衛星發射中心，有著「金牌火箭」之稱的長徵二號丁運載火箭成功地將近1.9噸重的暗物質粒子探測衛星「悟空」送入預定軌道。

這是中國航天科技集團公司上海航天技術研究院研製的長二丁運載火箭執行的第26次飛行任務，該型火箭保持了百分之百的成功率。

暗物質衛星工程運載系統總設計師洪剛介紹，這次是長二丁火箭500公裡太陽同步軌道所運載的最重的一顆衛星。為了提升運載能力，專家對長二丁火箭做了一些改進，以減輕重量，提高可靠性，降低成本。

他將火箭上感知其位置、姿態、速度的裝置比作火箭的小腦。「我們為火箭安裝了更先進、穩定的兩套『小腦』——雷射慣組和光纖慣組，有主有備，提高了可靠性，還為火箭減輕了二三十公斤的重量。而充當火箭『大腦』的計算機也裝了三塊主板，任何一塊出問題，都不會影響到整個任務的成敗。」他說。

此外，專家還為火箭挑選了質量較輕的推進劑貯箱，進一步減輕了重量，提高了運載能力。

怎樣尋找「宇宙幽靈」？

目前，國際上對暗物質探測方式主要分為3類。第一類是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質粒子「創造」出來，如歐洲核子中心的大型強子對撞機；第二類是在地下進行的直接探測，各國有不少這樣的實驗項目，其中我國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質實驗室；第三類是在太空進行間接探測。

我國暗物質粒子探測衛星屬於第三種方法。這種方法怎樣尋找暗物質？暗物質衛星首席科學家常進解釋說，世界上的物質都有反物質，當一個物質遇到一個反物質的時候，兩者都會被摧毀，由此產生巨大的能量。但是暗物質非常獨特，它的反物質就是本身，如果暗物質粒子和自身的反物質粒子發生碰撞，產生的能量將更大。

「假如能夠監測到暗物質粒子碰撞後產生的高能粒子，如伽馬射線、正電子、反質子、中微子等，並能夠精確測量這些粒子的能譜，就能間接證明暗物質的存在。」常進說。

採用同樣方法的還有諾貝爾獎獲得者丁肇中研製並放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號（AMS02）以及日本今年發射的量能器電子望遠鏡等。其中AMS02已經觀測到一些異常，但因為觀測能段的限制，數據也比較少，還無法下結論。

「我國的暗物質衛星是迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的空間探測器，超過國際上所有同類探測器。」衛星科學應用系統總設計師伍健說，其能段是阿爾法磁譜儀的10倍，涵蓋了電子能譜和光子能譜發生異常的地方；其能量解析度比國際同類探測器高3倍以上。（據新華社酒泉12月17日新媒體專電）

新聞連結

暗物質是怎樣一種神奇的存在？

暗物質有多火？就連熱門美劇《生活大爆炸》裡的主角「謝耳朵」都轉行研究暗物質了。

暗物質是怎麼被發現的？20世紀30年代初，美國加州理工學院的天體物理學家茲威基第一個發現，宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片，如果不是存在一種神秘而不可見的物質，星系早就分崩離析。

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，比如盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測、引力透鏡等都顯示了暗物質的存在。但直到現在還沒有確定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麼構成，但通過觀測它如何影響普通物質，並模擬它的引力效應，還是對它有了一些了解：

——宇宙中95％以上是暗物質和暗能量，暗物質佔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觀測設備直接「看」到。

——暗物質難以探測，還在於它密度小、速度快，難以捕捉。科學家測算，暗物質粒子每秒的運動速度為220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

——暗物質應該來自於宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常強，它們劇烈碰撞，在這種相互作用下，包括暗物質在內的各種各樣的物質由此產生。

——宇宙的結構與暗物質有關。由於暗物質和它自己以及其他物質不發生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結構的首要物質類型。暗物質播下了宇宙絲狀結構的種子，隨後可見物質才聚集在一些由暗物質建立起來的引力點上，並最終形成了星系。

——暗物質對生命來說是絕不可少的。假如沒有暗物質的引力作用，我們所在的銀河系將永遠無法在宇宙大爆炸後的膨脹過程中坍縮形成。那樣的話，現在既沒有太陽，也沒有地球，更沒有你我……

中科院國家空間科學中心主任吳季說，由於人類還不了解暗物質，不得已才稱它們「暗」，一旦發現了它們是什麼，並且隨著研究的深入，新發現的粒子就會有很多名字。「暗」只是階段性的名字，也充分體現了人類還不了解它。

對於找到暗物質，科學家已經等待了數十年。通過一系列實驗和觀測，科學家們或許距離破解暗物質這個宇宙謎團只有一步之遙了。記者 吳晶晶 喻菲餘曉潔