2015年12月17日：“悟空”升空的那一刻

2015年12月17日8時(shí)12分，我國首顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空，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。

為什么要尋找暗物質(zhì)

“悟空”的任務(wù)是在太空尋找神秘暗物質(zhì)存在的證據(jù)。為什么要尋找暗物質(zhì)？迄今為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)只占宇宙中的4.9%，剩余部分可能大部分都由暗物質(zhì)和暗能量等構(gòu)成。由于暗物質(zhì)無法被直接觀測，與物質(zhì)相互作用也很弱，人類至今對它仍舊知之甚少。揭開暗物質(zhì)之謎，被認(rèn)為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學(xué)之后，人類認(rèn)識自然規(guī)律的又一次重大飛躍。但是暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變產(chǎn)生的宇宙射線粒子或者高能伽馬射線不能穿透地球大氣，會(huì)被吸收掉，科學(xué)家們很難在地球上尋找到暗物質(zhì)。

目前，人類探測暗物質(zhì)的方式主要分為三類：直接探測、間接探測和對撞機(jī)探測。直接探測尋找的是暗物質(zhì)粒子和核子碰撞產(chǎn)生的信號。這類實(shí)驗(yàn)因?yàn)橐帘未髿庵袔щ娏Ｗ拥挠绊?，一般在地下?shí)驗(yàn)室進(jìn)行。中國有世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室—錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，因此中國在暗物質(zhì)直接探測領(lǐng)域取得了很大的成就。對撞機(jī)探測主要指目前粒子物理學(xué)家利用歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）尋找暗物質(zhì)粒子。大型強(qiáng)子對撞機(jī)將大量質(zhì)子加速到十分接近光速并使它們相撞。粒子在碰撞過程中通過強(qiáng)大的能量釋放產(chǎn)生大量的新粒子。在大量的新粒子產(chǎn)物中有可能包含暗物質(zhì)。我國正在計(jì)劃建設(shè)新一代環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC），并在第二階段升級為質(zhì)子對撞機(jī)，屆時(shí)對撞機(jī)能量比目前運(yùn)行的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)能量高7倍，尋找暗物質(zhì)也是其重要的科學(xué)目標(biāo)之一。間接探測主要是尋找兩個(gè)暗物質(zhì)粒子互相碰撞湮滅時(shí)所產(chǎn)生的信號。這種信號在宇宙射線能譜上表現(xiàn)為各種“超出”或者“鼓包”。因?yàn)榇髿鈱τ钪嫔渚€的屏蔽作用，這類實(shí)驗(yàn)需要發(fā)射空間探測器在大氣層進(jìn)行探測。目前，“上天”的暗物質(zhì)獵手中有4個(gè)最為知名：一個(gè)是安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀2號，一個(gè)是美國國家航空航天局的費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)是日本的量能器電子望遠(yuǎn)鏡，還有一個(gè)就是中國的“悟空號”。

“悟空”―尋找暗物質(zhì)的“火眼金睛”

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。它是人類發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識神秘暗物質(zhì)的“火眼金睛”，能通過高能和高分辨率的儀器來測量宇宙射線中正負(fù)電子之比，從而找出可能的暗物質(zhì)信號。

“悟空”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，其觀測能段是國際空間站阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。作為我國首顆空間粒子探測衛(wèi)星，“悟空”的科學(xué)目標(biāo)包括：通過觀測高能電子、伽馬射線來尋找暗物質(zhì)粒子的可能蹤跡；研究宇宙射線的起源、傳播和加速機(jī)制；找到宇宙中伽馬射線的電磁對應(yīng)體。與國際上其他暗物質(zhì)探測衛(wèi)星相比，“悟空”有3個(gè)顯著優(yōu)勢：一是能夠測量的宇宙射線的能量非常高，可以測量到104吉電子伏特；二是能量分辨率高，可以達(dá)到1%左右，測得比較準(zhǔn)；三是測量能量的本底比較低，也就是區(qū)分電子和質(zhì)子的能力非常強(qiáng)。

“悟空”的重大發(fā)現(xiàn)

2017年11月30日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表“悟空”首批探測成果：精確測量到太空中的電子宇宙射線能譜。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”。 這對于判定部分電子宇宙射線“是否來自于暗物質(zhì)”起著關(guān)鍵性作用。

截至2018年底，“悟空”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2號實(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?！拔蚩铡睘槿祟愑^測宇宙打開了一扇新的窗戶，并為人類判斷暗物質(zhì)是否存在提供了“關(guān)鍵性數(shù)據(jù)”。

2018年12月，“悟空”研制團(tuán)隊(duì)宣布， “悟空”完成了初定的三大科學(xué)目標(biāo)。雖然“悟空”已在軌運(yùn)行3年，達(dá)到了預(yù)期使用壽命，但由于“悟空”運(yùn)行狀態(tài)非常好，將延長“悟空”工作時(shí)間兩年。 延長工作時(shí)間是讓“悟空”積累更多的數(shù)據(jù)量。接下來的兩年，“悟空”將繼續(xù)進(jìn)行空間粒子探測數(shù)據(jù)的積累工作，以期獲得更多的空間粒子物理成果。

（本刊記者）

【責(zé)任編輯】蒲 暉