「悟空」的暗物質取經路 |「率先行動」計劃

作者 | 沈春蕾

愛因斯坦曾說過：「宇宙中最不可理解的事是，宇宙是可以理解的。」在浩瀚無垠的宇宙中，目前能被人類觀測到的部分只有5%，還有95%看不見摸不著的部分是暗物質和暗能量。

2015年12月，「悟空」暗物質粒子探測衛星發射升空，這是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的首發星，也是中國發射的首顆天文衛星，由中科院微小衛星創新研究院抓總研製，中科院多家科研院所共同參加有效載荷、科學應用系統等工程項目研製工作。

中科院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）是「悟空」暗物質粒子探測衛星的首席科學家單位和項目發起單位。

「我們探索暗物質的道路才剛剛開始，還會有越來越多的好消息傳來。」這是暗物質粒子探測衛星首席科學家、紫金山天文臺臺長、中科院院士常進經常掛在嘴邊的一句話。

近日，暗物質粒子探測衛星和科學研究入選中科院「率先行動」計劃59項重大科技成果及標誌性進展之一。

來自中國的建議

太陽繞銀河系中心旋轉一周所需的時間是2.3億年，要把太陽固定在這樣的圓周軌道上運動需要向心力，產生這樣的向心力需要太陽軌道內包含大約10¹¹倍太陽質量的物質，而可以觀測到的恆星和氣體的質量只有大約一半。

「由此可見，還有一些不可見的物質貢獻了更強的引力，這些物質可能是暗物質。」常進以太陽的運行為例向《中國科學報》介紹道，「暗物質是宇宙的主要組成成分之一，約佔宇宙總份額的1/4，對暗物質物理本質的認識將突破現有的物理學框架，打開新的物理世界大門。」

近年來，探測暗物質粒子已成為一項重大科學問題，世界各國正在不遺餘力地通過各種手段開展暗物質探測研究。

早在20世紀末，紫金山天文臺的空間天文團隊就開始從事空間間接探測暗物質的研究。1997年，美國宇航局在南極開展了一項名為ATIC（先進薄電離量能器）的氣球探空項目，用來觀測宇宙線。

當年，常進從這個項目中敏銳地發現了問題：「ATIC只觀測宇宙線，有點浪費呢！」

於是，遠在中國的常進給ATIC項目首席科學家發出一封建議郵件，並通過自己的反覆演算和證明，最終說服對方使用自己團隊研發的觀測高能電子和伽馬射線的新技術方法。

2000年底，重達兩噸的ATIC觀測設備在南極升空，在距離地面37公裡的高空，成功實現了對高能電子的觀測。

在常進的建議下，ATIC項目誕生了一項最有價值的發現——宇宙射線正負電子在高能段超出天體物理背景模型。

2008年11月，一篇題為《3000億~8000億電子伏特能量區間的宇宙射線電子「超」》的文章發表在《自然》上，報導了科研團隊第一次發現宇宙高能電子異常，常進是論文的第一作者。

隨後，常進發現：「氣球實驗觀測時間短、數據量較小，殘餘大氣導致的系統誤差也比較大，因此對該正負電子『超』的本質無法給出準確的答案。」為此，他帶領團隊想到發射空間衛星進一步改進測量，以期在電子觀測以及暗物質探測方面取得突破。

將想法變成現實

基於南極氣球實驗以及前後開展的載人航天、探月等一系列項目中積累的技術經驗，在中科院「率先行動」計劃的支持下，2011年12月空間科學先導專項暗物質粒子探測衛星正式立項，2015年12月，「悟空」暗物質粒子探測衛星成功發射。

常進帶領中科院暗物質粒子探測衛星和科學研究團隊僅用了4年時間就將想法變成現實，實現了中國空間天文衛星零的突破。

常進從小喜歡物理，本科選擇了中國科學技術大學近代物理專業。1992年來到紫金山天文臺後，他開始從事空間探測研究。為何要「轉行」？他的回答是：「空間探測是以近代物理的研究為理論基礎，只是把實驗從地面搬到太空。」

中科院微小衛星創新研究院研究員李華旺是暗物質衛星系統總設計師，他告訴《中國科學報》，暗物質衛星絕大部分工作是由國內科研單位完成的。

其中，暗物質衛星的探測器研製單位包括紫金山天文臺、中國科學技術大學、中科院高能物理研究所、中科院近代物理研究所和中科院國家空間科學中心；衛星平臺由中科院微小衛星創新研究院研製；載荷所用的BGO晶體材料由中科院上海矽酸鹽研究所研製。

在國際合作方面，瑞士日內瓦大學和義大利佩魯賈大學參與了矽徑跡探測器的研製。當前正在從事的數據分析和科學研究工作，也由中國、瑞士和義大利等數家單位的科研人員組成的分析團隊聯合開展。

紫金山天文臺是有效載荷總體及科學應用系統所在單位，負責有效載荷的總體設計和研製，具體承擔了4個子探測器中的2個，即BGO量能器和中子探測器的研製（BGO量能器主任設計師單位是中國科學技術大學），並且承擔了地面科學應用系統的建設等工作。

「悟空」發射升空後，常進感嘆道：「所有這些工作都離不開載荷研製單位的支持和合作，大家一起保證儀器運行正常、數據刻度準確、科學成果可靠。」

「延壽」平穩運行

2019年9月，「悟空」暗物質粒子探測衛星第二批科學成果正式公布。「悟空」獲得TeV-100 TeV（1TeV=1萬億電子伏特）能區精確的宇宙線質子能譜，並發現新的譜結構。這是「悟空」繼電子能譜觀測後取得的又一項重要發現。

「暗物質粒子探測衛星是我國首顆專門用於科學研究的衛星，很多工作沒有現成的經驗可以照搬，需要大家『小心而又大膽』地摸索。」常進解釋道，「小心」是指做任何一件工作都必須高度負責，十分謹慎、考慮周全；「大膽」則是在沒有先例的情況下要敢想敢做敢試。

在研究過程中，擺在科研團隊面前的現實問題是，我國的空間科學研究跟國外比起來，起步晚了很多年，用於空間項目的投入也相對較少，這樣的情況下如何能夠在國際競爭中取得優勢，是非常大的挑戰。

常進介紹道：「我們採用了獨闢蹊徑的設計思路，不貪大求全，在某些指標方面做到國際領先。」事實表明，「悟空」暗物質粒子探測衛星以遠低於國際上其他同類設備的價格，實現了能量解析度、觀測能段覆蓋和粒子鑑別能力等幾項指標世界最優，為取得最好的科學成果奠定了基礎。

空間工程項目特點是投資大，風險也大。一顆衛星送上天了就沒有辦法維修，一個小的毛病就可能導致這顆衛星「報銷」。常進經常打比方說：「一塊錢的電阻可能使幾百億元的衛星『報銷』，所以我們的責任很大。」

暗物質粒子探測衛星是一個團隊的工程，最多時有300多人參與研製。「衛星研製過程中遇到了好多問題，其中有些問題光靠年輕人是不夠的。」常進回憶道，「我的已從大學退休的老師們也參與其中，無償幫助我們解決難題，很讓人感動。」

李華旺透露，如今「悟空」號各探測器完好如初，已經進入「延壽」運行階段。

目前，常進團隊的主要任務是保證暗物質粒子衛星平穩運行，採集更多的數據用於科學研究，並對儀器的性能進行進一步的準確刻度，提高測量精度，減小系統誤差。「我們正在積極開展下一代暗物質粒子探測器的設計和關鍵技術預研究，期望在不遠的將來，我們能找到暗物質粒子。」常進說。

《中國科學報》 （2020-08-27第1版 要聞）

編輯 | 穆穆

排版 | 志海

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