“悟空”騰霱：打開宇宙的一扇窗

在太空邀游不到一年，“悟空”發(fā)回的粒子數(shù)據(jù)就夠每個(gè)中國(guó)人“分配”到一個(gè)了。2015年12月17日，中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射升空，用它的“火眼金睛”幫助科學(xué)家尋找披著“隱身衣”的神秘暗物質(zhì)。正常運(yùn)轉(zhuǎn)353天，飛行5382軌，姿態(tài)穩(wěn)定，已完成全天區(qū)覆蓋，共探測(cè)宇宙射線約16億個(gè)。這是截至記者發(fā)稿時(shí)，“悟空”交出的一份完美成績(jī)單。

看著“悟空”畫的“圓弧”進(jìn)入新年

事實(shí)上，“悟空”的完美表現(xiàn)甚至出乎科學(xué)家們的預(yù)料。4個(gè)有效載荷中，塑料閃爍體、B60量能器、中子探測(cè)器都100%正常工作，硅徑跡探測(cè)器99.85%正常工作，也大幅度優(yōu)于原定的97.5%的指標(biāo)。

盡管如此，“悟空”的研究團(tuán)隊(duì)也不敢稍有懈怠。他們不斷優(yōu)化在軌標(biāo)定的方案，以盡量短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器各子探測(cè)器的可靠標(biāo)定，并充分利用這些數(shù)據(jù)來(lái)加快對(duì)物理事例重建軟件的研發(fā)。

對(duì)于暗物質(zhì)衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師、中科院紫金山天文臺(tái)研究員范一中而言，2016年的猴年春節(jié)特別而難忘。

“為了能夠與家人團(tuán)聚，過(guò)年前那段時(shí)間整個(gè)團(tuán)隊(duì)爆發(fā)出了驚人的潛力?！狈兑恢谢貞浾f(shuō)，“凌晨2點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理中心各個(gè)崗位上仍座無(wú)虛席。第二天一早到辦公室，有幾位同事還在工作，有的同事就縮在辦公椅上休息。”

憑著這股勁頭，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的年輕科學(xué)家們終于在大年二十九如期完成了各自的軟件升級(jí)任務(wù)，陸續(xù)回鄉(xiāng)過(guò)年。

人歇計(jì)算機(jī)集群不能歇。大年三十，暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)帶頭留守在辦公室值班，接收、檢查、處理數(shù)據(jù)，和同事們一起吃年夜飯。盡管少了與親友團(tuán)聚的歡樂(lè)，但在他們看來(lái)，看著“悟空”在屏幕上畫著大大的圓弧進(jìn)入農(nóng)歷猴年，另有一份濃濃的情意。

隨著時(shí)間推移，“悟空”的表現(xiàn)也越來(lái)越好。等到3個(gè)月的在軌測(cè)試結(jié)束后，對(duì)于它的表現(xiàn)，所有參與評(píng)審的專家都打了100分?！斑@在衛(wèi)星測(cè)試中是非常少見的。我們準(zhǔn)備的幾百種‘應(yīng)急方案都沒(méi)用得上。”暗物質(zhì)衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、紫金山天文臺(tái)研究員伍健說(shuō)。

朝五晚十的“中央廚房”

如今，地面數(shù)據(jù)接收、物理事例重建、處理分析等各項(xiàng)工作已經(jīng)進(jìn)入常態(tài)化?！拔蚩铡泵刻炖@著地球轉(zhuǎn)15圈，每圈4萬(wàn)多公里，一天下來(lái)跑60多萬(wàn)公里。當(dāng)它路過(guò)三亞、喀什、密云等地面數(shù)據(jù)接收站時(shí)，還要匯報(bào)工作，將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回。這些數(shù)據(jù)先是匯總到北京懷柔的地面支撐系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，再傳到紫金山天文臺(tái)的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

對(duì)于科研人員來(lái)說(shuō)，這些被稱為1B的數(shù)據(jù)是最好的“食材”。而紫金山天文臺(tái)的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)好比是“中央廚房”，“悟空”不斷輸送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)“食材”，將在這里被加工成可供研究人員應(yīng)用的高級(jí)物理信息。

早上五六點(diǎn)鐘開始看遙測(cè)參數(shù)是否正常，8點(diǎn)看前一天的衛(wèi)星觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)是否正常，接下來(lái)開始標(biāo)定和重建數(shù)據(jù)，直至晚上十點(diǎn)半結(jié)束一天的工作。這就是“中央廚房”每天的工作時(shí)間表。李翔博士是“中央廚房”里22個(gè)監(jiān)控人員之一。“我們每天一個(gè)人輪班，通常處理完前一天的數(shù)據(jù)需要10多個(gè)小時(shí)，工作到晚上10點(diǎn)多是非常正常的?！睌?shù)據(jù)的標(biāo)定和重建，實(shí)際上是相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程?！拔蚩铡泵刻靷魉突貋?lái)500萬(wàn)個(gè)粒子信息，其中只有0.1%是有用的電子，光子的數(shù)量則還要少很多。因此，要想研究電子和光子的分布，必須剔除其中99%以上的質(zhì)子等宇宙線核素的信息。自從“悟空”上天之后，常進(jìn)就養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣：早上醒來(lái)必須查看值班人員發(fā)來(lái)的對(duì)前一天衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總結(jié)報(bào)告，每晚只有查看完當(dāng)天已下載數(shù)據(jù)的完整情況以及實(shí)時(shí)處理情況后才能入眠。

打開新窗口的“中國(guó)力量”

由于暗物質(zhì)可能存在于任何區(qū)域，“悟空”頭兩年將對(duì)全天掃描，探測(cè)暗物質(zhì)存在的方位。兩年后，根據(jù)全天區(qū)探測(cè)的分析結(jié)果，它將對(duì)暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域開展定向觀測(cè)。

常進(jìn)一再告訴研究團(tuán)隊(duì)：“空間項(xiàng)目有太多的不確定因素，而且衛(wèi)星運(yùn)行一天的費(fèi)用高昂，一定要珍惜所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最大可能地發(fā)掘其潛能?！?/p>

完成標(biāo)定和重建的1B數(shù)據(jù)成了被稱為“2A”的高級(jí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)分發(fā)到由上百個(gè)科學(xué)家組成的“DAMPE合作組”進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其中，既有來(lái)自中科院紫金山天文臺(tái)、中國(guó)科技大學(xué)、中科院蘭州近物所、中科院高能物理所的中國(guó)科學(xué)家，還有來(lái)自日內(nèi)瓦大學(xué)、意大利佩魯賈大學(xué)和巴里大學(xué)等的國(guó)外合作者。經(jīng)初步分析，“悟空”在粒子的電荷測(cè)量、能量測(cè)量、方向測(cè)量、粒子鑒別等方面都取得了重要進(jìn)展，全面實(shí)現(xiàn)或超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)?！澳壳翱磥?lái)衛(wèi)星所獲得的數(shù)據(jù)都是非常扎實(shí)的，未來(lái)對(duì)于暗物質(zhì)存在的確認(rèn)或否認(rèn)都非常有意義?！敝锌圃涸菏烤耙纟i表示，隨著數(shù)據(jù)的不斷累積，希望在不久的將來(lái)能夠獲得突破性成果。為了能夠早日發(fā)表來(lái)自“悟空”的首批科學(xué)成果，整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在緊張地工作?！鞍滴镔|(zhì)探測(cè)是我們的主要科學(xué)目標(biāo)，但我們的主要工作耳標(biāo)是衛(wèi)星正常工作、探測(cè)器標(biāo)定正確，這樣就能保證我們打開一扇觀測(cè)宇宙的新窗口，必然會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。”常進(jìn)說(shuō)。

揭開暗物質(zhì)的神秘面紗

大量的天文學(xué)觀測(cè)表明，我們所生存的宇宙中由質(zhì)子、中子等構(gòu)成的所謂普通物質(zhì)，例如恒星、行星、星際氣體和塵埃，占宇宙總能量的份額僅約5%；約占27%的暗物質(zhì)和約占68%的暗能量，占了宇宙組分的絕大部分。

因此，理解暗物質(zhì)和暗能量問(wèn)題，是我們認(rèn)識(shí)宇宙的迫切而不可跨越的任務(wù)。暗物質(zhì)和暗能量的問(wèn)題是當(dāng)代物理學(xué)面臨的重大問(wèn)題，在這兩個(gè)問(wèn)題上的突破將可能引領(lǐng)21世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展。

現(xiàn)有研究表明，暗物質(zhì)很可能是一種超出標(biāo)準(zhǔn)模型、參與弱相互作用的重粒子。它們自身以及和普通物質(zhì)的相互作用很弱，因此往往表現(xiàn)得很“暗”。然而，正是這種弱相互作用帶給了我們探測(cè)到暗物質(zhì)粒子的希望。如果我們制造出足夠精密的儀器，便有可能抓住非常稀有的暗物質(zhì)相互作用事件。

隨著探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，今天我們已經(jīng)可以在地下實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)非常低本底的直接探測(cè)——測(cè)量暗物質(zhì)粒子和探測(cè)器的碰撞作用，在空間進(jìn)行大接受度高分辨率的間接探測(cè)——測(cè)量暗物質(zhì)粒子自湮滅或衰變的遺跡。

目前，世界上有數(shù)十家實(shí)驗(yàn)通過(guò)直接或間接的方法探測(cè)暗物質(zhì)粒子。隨著靈敏度逐漸提升，暗物質(zhì)粒子的剩余參數(shù)空間越來(lái)越小，人類或許很快就將揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。

2015年12月17日，中國(guó)發(fā)射了第一顆空間天文衛(wèi)星——“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。“悟空”衛(wèi)星的首要科學(xué)目標(biāo)就是，通過(guò)高精度測(cè)量宇宙射線電子和伽馬射線的能譜及空間分布來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)湮滅或衰變的遺跡?！拔蚩铡毙l(wèi)星搭載的科學(xué)儀器具有3個(gè)世界之最：最高的能量分辨本領(lǐng)、最寬的觀測(cè)能段、最強(qiáng)的高能粒子鑒別本領(lǐng)，因此有望在暗物質(zhì)間接探測(cè)中取得重要成果。

“悟空”衛(wèi)星各探測(cè)器工作狀態(tài)良好，每天平均觀測(cè)約500萬(wàn)個(gè)高能粒子。截至目前，儀器已正常運(yùn)轉(zhuǎn)330天，共探測(cè)到宇宙射線事件約16億個(gè)?，F(xiàn)在我們?cè)诹Ｗ拥碾姾蓽y(cè)量、能量測(cè)量、方向測(cè)量、粒子鑒別等方面的研究進(jìn)展良好，全面達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。2017年初，我們將正式發(fā)布“悟空”的首批科學(xué)成果。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》endprint