揭秘暗物質衛星「悟空」背後的「師傅」

2020-12-05 中國新聞網

  新華社南京12月17日電 題:「悟空」的「師傅」

  新華社記者蔡玉高、蔣芳、王珏玢

  中科院紫金山天文臺辦公樓三樓拐角,有一個掛著「DAMPE」標籤的房間。這個不起眼的房間,正是我國暗物質粒子探測衛星「悟空」在地面的數據處理中樞——暗物質與空間天文實驗室。「悟空」捕捉的每一點信息,都傳回這裡校準、分析。

  忙碌在這個實驗室中的科學家,都是「悟空」的「師傅」。

  「師傅」常進:我是「科研工頭」

  《西遊記》中美猴王的師傅是高僧玄奘,而遨遊在太空中的「悟空」,「師傅」是紫金山天文臺副臺長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進。

  暗物質衛星上天,是對常進20多年來致力於宇宙高能電子、伽馬射線探測技術研究的最好回報。

  1999年,常進首次提出探測器可靠區分質子、電子的新技術。這一技術後來被應用於包括美國南極長周期氣球探測實驗、暗物質粒子探測衛星等多個國際探測項目。

  基於幾次南極實驗的數據,常進率領的研究團隊於2008年在國際權威學術刊物《自然》上發表文章,介紹了有關宇宙高能電子異常的發現。這一發現被美國物理協會和歐洲物理協會評為當年世界物理學領域的重大研究進展,引發新一輪國際探索暗物質熱潮。

  這一成果也促成暗物質粒子探測衛星在2011年正式立項。

  「我就是個『工頭』,領著一幫搞科研的踏踏實實往前幹。」常進說,「我更希望自己是個『常大錘』,碰到難題砸得下去、遇到責任頂得起來。」

  「秘書」郭建華:給探測器「體檢」

  「悟空」上天后,暗物質衛星有效載荷副總設計師郭建華立即轉做「體檢師」,每天監測「悟空」在天上的「冷暖」與健康,給「悟空」安排日程。

  怎麼保證探測器狀態正常?郭建華說,監測衛星姿態很重要,保持衛星太陽帆板始終對準太陽,才能維持能源供給和探測器溫度穩定。

  每天清晨和傍晚,「悟空」路過中國,位於密雲、喀什、三亞的三個數據接收點就啟動程序,接收「悟空」每天回傳的約13G數據。這些數據經過簡單處理,全部傳回南京的暗物質實驗室進行系統分析,這其中,就包含有郭建華監控的衛星姿態信息和探測器狀態信息。

  「探測器建造過程中,我們還進行過環境模擬實驗。拿當時地面測到的電流、電壓等與現在軌道中傳回的數據比較,結果互相吻合,也能幫我們判斷探測器工作狀態正常。」郭建華說。

  除了每天為探測器「體檢」,郭建華的工作還包括參與安排「悟空」在天上的工作計劃。

  「『悟空』在太空中精神抖擻,其實它的每一個動作,背後都有科學家周密的安排。」郭建華說,科研團隊要提前制定「悟空」的工作計劃,每周分兩次由位於西安的測控中心傳送給衛星上的計算機。這樣,「美猴王」才能在天上指哪兒看哪兒、火眼金睛。

  「翻譯」伍健:7萬個信號還原1個軌跡

  從「悟空」在天捕捉到原始數據、到理論學者分析形成重大發現,中間關鍵的一環,是要將「太空密碼」翻譯成能被科學家運用的高級物理信息。

  擔任「首席翻譯官」的,是暗物質衛星科學應用系統總設計師伍健。

  伍健解釋,翻譯數據的過程主要可劃分為兩步,第一步稱為標定。標定要把二進位電子信號統一轉換成能量。簡單來講,能量是一種更為「通用」的科學語言,有了它,科研人員就能繼續進行下一步數據分析。

  掌握了入射離子的能量數據,第二步才是對「翻譯」最大的挑戰:數據重建。「有了能量信息不代表獲知了粒子的真實情況,難題才剛剛開始。」伍健說,數據重建可以用兩個詞來形容:「大海撈針」「盲人摸象」。「悟空」每天傳送回500萬個粒子信息,其中只有0.1%是有用的電子,目標光子的數量還要更少。研究人員準確分析目標粒子,首先要剔除99%以上的質子等本底信息。

  此外,粒子與能量信號並非一一對應。入射的粒子由於發生簇射反映,可能在探測器裡留下幾百、乃至幾千路信號。要把這成百上千路信號綜合在一起,才能大致還原出目標粒子的電荷、運動方向等基本信息。

  「粒子特徵不一樣,適用的方法也不一樣。為提高準確率,科研人員一直在不斷修正標定和重建的模板,到現在總共修改了4600多次。最複雜的一次,我們匯總了7萬多路信號才還原出1個粒子信息。」伍健說。

  「經紀人」範一中:「悟空」的「鐵桿粉」

  暗物質衛星科學應用系統副總師範一中,領導著科學理論團隊。每天,他緊盯同事們「翻譯」出的高級物理信息,不放過一絲一毫暗物質幽靈可能留下的痕跡。

  儘管是「悟空師傅團」的一員,但範一中卻自稱是這隻太空「猴子」的「鐵桿粉」。

  「2010年,『悟空』團隊聯繫到還在國外工作的我,希望我能回國參與到中國暗物質衛星的項目,我沒有猶豫立刻答應下來。」範一中說,「悟空」凝聚了整個研製團隊的心血,看著它表現越來越好,科研人員都很興奮,「衛星上天、回傳數據的每個重要節點,都是我們科研人員的大日子!」

  目前,範一中等科學分析專家,正在應用系統提供的入射粒子方向、能量等信息,緊鑼密鼓地繪製高能電子和伽馬射線能譜。

  「越是『奇怪』『少見』的粒子和能譜結構,越是我們緊盯的目標。天上的『悟空』火眼金睛,地上的科研人員也睜大了眼睛,爭取早日有所發現!」範一中說。

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