暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”
“過去的一年，那只‘猴子’沒有讓我們失望。”春節(jié)后，記者來到中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，該臺(tái)副臺(tái)長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)開門見山地說。
當(dāng)全國上下都在慶祝新春佳節(jié)時(shí)，天上那只“猴子”依舊奔跑在500公里高的太陽同步軌道上，忙忙碌碌。
截至2018年年底，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研制的我國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號(hào)已繞地球飛行了16597圈，探測宇宙射線粒子55億個(gè)。
在相同時(shí)間內(nèi)，它積累的TeV（1TeV=1萬億電子伏特）以上的觀測數(shù)據(jù)相當(dāng)于國際空間站上的日本量能器電子望遠(yuǎn)鏡和阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)的5倍以上，意味著完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于這些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結(jié)果。
看不見摸不著卻與我們息息相關(guān)
20世紀(jì)30年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中可見物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以把星系連成一片，構(gòu)成星系團(tuán)，如果不是存在一種神秘而不可見的物質(zhì)，星系團(tuán)早就分崩離析。科學(xué)家把這種看不見的神秘物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。
到了20世紀(jì)70年代，多種天文觀測結(jié)果都暗示著暗物質(zhì)的存在。但直到現(xiàn)在還沒有確切的暗物質(zhì)信號(hào)被探測到。
雖然科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)究竟由什么構(gòu)成，但通過觀測它如何影響普通物質(zhì)，并模擬它的引力效應(yīng)，還是對(duì)它有了一些了解。
宇宙中95%以上是暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占26.8%。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學(xué)或電磁波觀測設(shè)備直接“看”到。暗物質(zhì)運(yùn)行速度很快。科學(xué)家測算，暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度為每秒220千米，是56式半自動(dòng)步槍子彈出膛速度的300倍。
科學(xué)家推測暗物質(zhì)產(chǎn)生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個(gè)時(shí)刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常大，它們劇烈碰撞，產(chǎn)生包括暗物質(zhì)在內(nèi)的各種各樣的物質(zhì)。
宇宙的結(jié)構(gòu)也與暗物質(zhì)有關(guān)。它是促使宇宙中的普通物質(zhì)在自身引力下形成特定結(jié)構(gòu)的重要推手。暗物質(zhì)播下了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)的種子，隨后可見物質(zhì)才聚集在一些由暗物質(zhì)建立起來的引力“核”上，并最終形成了星系。
暗物質(zhì)對(duì)生命來說更是至關(guān)重要。假如沒有暗物質(zhì)的引力作用，我們所在的銀河系將很可能無法在宇宙大爆炸后的膨脹過程中形成。
暗物質(zhì)這么神秘，我們投入這么多人力物力去尋找它，那么它究竟有什么應(yīng)用價(jià)值呢？
“當(dāng)年，愛因斯坦也想不到量子力學(xué)和相對(duì)論有什么應(yīng)用價(jià)值，但是今天我們每個(gè)人用到的手機(jī)等通訊設(shè)備，哪一個(gè)離得開這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)？”常進(jìn)說道。
帶著“水晶棒”的銀白色美猴王
2015年12月17日8時(shí)12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將中國科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。這標(biāo)志著我國空間科學(xué)探測研究邁出了重要一步。
“這是中國科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠(yuǎn)鏡，”常進(jìn)說，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破。”
“悟空”的身材比一般的衛(wèi)星小巧，“三圍”分別為1.5米、1.5米、1.2米，像盒銀白色的方形蛋糕。“悟空”在太空中接收來自宇宙的高能原子核、電子和伽馬射線的信號(hào)，它是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測器。
中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)介紹說，目前國際上最著名的三個(gè)暗物質(zhì)探測器分別是美國費(fèi)米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS-02和我國的“悟空”。三者各有特色，AMS-02可以區(qū)分正反物質(zhì)，費(fèi)米的探測器面積大，而我們的探測器分辨率最高。
常進(jìn)說，“悟空”在觀測能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領(lǐng)等方面優(yōu)于別的探測器，其觀測能段是阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。而費(fèi)用只有1億美元，分別是美國費(fèi)米、AMS-02的1/7和1/20。
以《西游記》中的美猴王名字命名的衛(wèi)星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。
位于衛(wèi)星核心部位的BGO能量器包含了308根縱橫交錯(cuò)的晶體，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界上最長的BGO晶體。
這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量。電子和質(zhì)子與晶體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生類似淋浴噴水形狀的簇射，而電子和質(zhì)子產(chǎn)生的簇射形狀不同，因而科學(xué)家可以區(qū)分出質(zhì)子和電子。
“年富力強(qiáng)”并將繼續(xù)在太空服役
每天清晨和傍晚，“悟空”都會(huì)路過中國上空。位于密云、喀什、三亞的三個(gè)數(shù)據(jù)接收站，每天接收它回傳的約16G數(shù)據(jù)。而常進(jìn)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就是要從日積月累的海量數(shù)據(jù)中分析出有價(jià)值的科學(xué)成果。
而在一年多前，常進(jìn)團(tuán)隊(duì)就已向世界展示出首批成果：精確測量太空中的電子宇宙射線能譜。該成果于2017年12月7日在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
電子宇宙射線的正常能譜變化應(yīng)是一條平滑曲線。根據(jù)“悟空”積累的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在0.9萬億電子伏特處電子能譜呈現(xiàn)出明顯的拐折，并且有初步跡象表明在1.4萬億電子伏特的超高能段呈現(xiàn)出異常波動(dòng)，反映在圖上是一個(gè)“尖峰”。
這些結(jié)構(gòu)只有在觀測精度達(dá)到最好的情況下才能被看到，幸運(yùn)的是，“悟空”做到了！電子能譜在0.9萬億電子伏特處的拐折具有重要的天體物理意義，它反映出宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，并且可以對(duì)部分暗物質(zhì)理論模型給出很強(qiáng)的約束。1.4萬億電子伏特處的異常波動(dòng)則顯得更引人關(guān)注。不過，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)量和理論模型，還無法斷定這一現(xiàn)象是否就是暗物質(zhì)蹤跡。
袁強(qiáng)告訴記者，探測暗物質(zhì)的方式主要分為三類：一是對(duì)撞機(jī)探測，主要有歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)；二是在地下進(jìn)行的直接探測，我國在四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室中正在開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)；三是間接探測，主要在空間進(jìn)行。
“悟空”衛(wèi)星就是采用第三種方式。物理學(xué)家們認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)產(chǎn)生高能粒子，如伽馬射線、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子等。暗物質(zhì)衛(wèi)星就是精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
“悟空”設(shè)計(jì)壽命為3年，目前已經(jīng)到期，但它看起來依舊“年富力強(qiáng)”。“經(jīng)過評(píng)估，我們認(rèn)為‘悟空’還可以繼續(xù)在太空服役，現(xiàn)在已經(jīng)被批準(zhǔn)延長2年工作時(shí)間。”袁強(qiáng)說道。（記者 張 曄）