“悟空”起航遨宇宙

余風(fēng)

2015年12月17日上午8時(shí)12分04秒，內(nèi)蒙古酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。茫茫戈壁，凜冽寒冬，人們?cè)诤L(fēng)里中仰望蒼穹。

隨著一聲“點(diǎn)火”命令，發(fā)射臺(tái)上噴出一團(tuán)巨大的白霧，長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭吐著長(zhǎng)長(zhǎng)的火舌騰空而起，將我國(guó)自主研制的第一顆天文衛(wèi)星“悟空”送入太空。

在農(nóng)歷猴年到來(lái)前夕，這顆與美猴王同名的衛(wèi)星的發(fā)射，不僅是中國(guó)獻(xiàn)給新一年的最佳禮物，同時(shí)，它也標(biāo)志著中國(guó)正式加入到空間科學(xué)探索大國(guó)的行列——“中國(guó)航天終于進(jìn)入了真正的仰望星空的時(shí)代，目光所及，直達(dá)億萬(wàn)光年的宇宙深處，所探索的課題，囊括了整個(gè)宇宙的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)?！痹诂F(xiàn)場(chǎng)觀看發(fā)射的著名科幻作家、此前憑借小說(shuō)《三體》捧回世界科幻藝術(shù)界最高獎(jiǎng)“雨果獎(jiǎng)”的劉慈欣如是評(píng)價(jià)。

“隱身俠”的“穿墻術(shù)”

“悟空”全名暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，是中國(guó)發(fā)射的第一顆完全用于基礎(chǔ)科學(xué)研究的衛(wèi)星，同時(shí)也是世界上迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，其觀測(cè)能段是國(guó)際空間站阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨比國(guó)際同類探測(cè)器高3倍以上。

在發(fā)射升空790秒后，“悟空”順利進(jìn)入距地球500公里的預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。入軌后，它和“粉絲們”分享了自己在太空中的第一條微博：“謝謝所有辛苦工作的人類給我一個(gè)漂亮的起點(diǎn)！所有的猜想都會(huì)由探索給出答案?！?/p>

“悟空”飛天，是人類在探索宇宙核心秘密進(jìn)程中邁出的重要一步。此后3年，它將帶著人們的無(wú)限期許，去尋找最神秘的“宇宙幽靈”——暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)是一種困擾了科學(xué)家長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)的“暗黑”物質(zhì)，它被萬(wàn)有引力定律推論存在，是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，它不發(fā)光、不帶電荷，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生碰撞，能輕松穿越電磁波和引力場(chǎng)。

暗物質(zhì)既看不見(jiàn)、摸不著，至今從未被人們直接觀測(cè)到，堪稱是宇宙中本領(lǐng)最強(qiáng)的“隱身俠”。它還有一個(gè)“同胞兄弟”暗能量，這兩個(gè)“暗黑家族”成員占據(jù)宇宙的絕對(duì)多數(shù)——它們約占宇宙總質(zhì)能的95.1%，而我們看得見(jiàn)的那些星系、恒星、行星等發(fā)光和反光物質(zhì)僅占宇宙總質(zhì)能的4.9%。

除了高超的隱身本領(lǐng)外，暗物質(zhì)還具有強(qiáng)大的“穿墻術(shù)”——能無(wú)聲無(wú)息地穿越任何障礙物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每秒鐘就有上億個(gè)暗物質(zhì)粒子穿透我們的身體。

但是，對(duì)于我們身邊這些動(dòng)不動(dòng)就玩“穿透”的精靈，科學(xué)家們既不知道它們長(zhǎng)什么樣、有多重，也不知道它有著怎樣的物理性質(zhì)。因此，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后的又一次重大科學(xué)突破，有助于幫助人們解開(kāi)宇宙形成及演化的秘密。同時(shí)，一旦找到暗物質(zhì)這樣一種全新的物質(zhì)，將有可能在未來(lái)為人類提供取之不盡的高效新能源，甚至幫助人類實(shí)現(xiàn)星際穿越。

火眼金睛尋“幽靈”

2015年12月16日，在發(fā)射的前一天，中國(guó)首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星被正式命名為“悟空”——這個(gè)從全國(guó)網(wǎng)友和科幻迷提供的32517個(gè)候選征名大PK中脫穎而出，最終被選定的名字，來(lái)自《西游記》中的齊天大圣，“悟”有領(lǐng)悟之意，“悟空”意為領(lǐng)悟、探索太空，用來(lái)為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星命名頗為形象。

在《西游記》中，“齊天大圣”孫悟空上天入地，七十二變，無(wú)所不能，它的一雙火眼金睛能識(shí)別所有妖魔鬼怪，讓魑魅魍魎無(wú)所遁形。而與齊天大圣同名的這顆暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星，同樣也有著“火眼金睛”——科學(xué)家為它裝載了塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器等四個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的探測(cè)器，使它能探測(cè)高能粒子的能量、方向和電荷，并對(duì)粒子進(jìn)行鑒別，從而探測(cè)出暗物質(zhì)粒子的存在。

這四個(gè)“火眼金睛”上，凝聚了眾多中國(guó)獨(dú)有的高新技術(shù)。以BGO量能器為例，這一精密結(jié)構(gòu)出自于中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，由308根BGO晶體和光電倍增管構(gòu)成。BGO晶體是一種能夠與暗物質(zhì)粒子可能的湮滅產(chǎn)物作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作“悟空”的“眼睛”，那么，BGO晶體就是它的“視網(wǎng)膜”。

這個(gè)“視網(wǎng)膜”結(jié)構(gòu)極為精密，由308根25厘米×25厘米×60厘米的BGO晶體組成，作為BGO量能器的唯一候選探測(cè)材料，這種尺寸晶體的研制和量產(chǎn)是BGO量能器乃至衛(wèi)星系統(tǒng)研制成功的基本前提之一。此前，國(guó)際上已知最長(zhǎng)的BGO晶體僅為40厘米。更長(zhǎng)尺寸BGO晶體的生長(zhǎng)是對(duì)晶體制備科學(xué)和技術(shù)的全新挑戰(zhàn)，不少業(yè)內(nèi)專家甚至認(rèn)為這是不可能完成的任務(wù)。

為了挑戰(zhàn)并實(shí)現(xiàn)這一“不可能任務(wù)”，從2011年6月起，上海硅酸鹽所的BGO研究組就在國(guó)際上率先開(kāi)展了600mm長(zhǎng)BGO晶體的制備科學(xué)與技術(shù)研究。此后兩年，在經(jīng)歷不斷的研究、實(shí)驗(yàn)、失敗、再研究后，科研人員最終成功實(shí)現(xiàn)了60厘米長(zhǎng)晶體的制備與量產(chǎn)，使上海硅酸鹽所成為全球能研制并量產(chǎn)該長(zhǎng)度BGO晶體的唯一供應(yīng)商，并保持著生長(zhǎng)BGO晶體長(zhǎng)度的世界紀(jì)錄。

借助BGO量能器、塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、中子探測(cè)器等四個(gè)功能強(qiáng)大的眼睛，“悟空”每天能觀測(cè)到500萬(wàn)個(gè)高能粒子，傳回16G數(shù)據(jù)量；而在地面，中國(guó)配備了100余人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)來(lái)研究、分析這些數(shù)據(jù)，以期盡早找到“宇宙幽靈”暗物質(zhì)。

發(fā)射低溫新紀(jì)錄

在人們以往的印象中，衛(wèi)星的體型往往都非常大，以“嫦娥二號(hào)”探月衛(wèi)星為例，它長(zhǎng)2米，寬1.72米、高2.2米，體積為5.64立方米；與它相比，“悟空”的身形堪稱“纖巧”——它的長(zhǎng)、寬、高分別為1.5米、1.5米、1.2米，體積僅為2.7立方米，大約只有一張辦公桌那么大。

雖然體型小，但“悟空”體內(nèi)裝載的各類高精密科學(xué)儀器卻不少。據(jù)了解，整個(gè)衛(wèi)星的探測(cè)器就有4.2萬(wàn)路電子學(xué)讀出電路、168路高壓電源，接近8萬(wàn)路探測(cè)器通道數(shù)。衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師透露，“悟空”的復(fù)雜程度，超出了我國(guó)地面最復(fù)雜的加速器實(shí)驗(yàn)裝置。如此高精密裝置的儀器，為的就是確保“悟空”外太空探測(cè)任務(wù)的成功。

除了精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以外，“悟空”的發(fā)射也創(chuàng)造了新的低溫紀(jì)錄——“悟空”發(fā)射時(shí)的氣溫達(dá)到了零下15度，這一溫度接近火箭發(fā)射零下18度的極值，同時(shí)它也是酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心至今發(fā)射的87顆衛(wèi)星中發(fā)射氣溫最低。為此，科學(xué)家和技術(shù)人員采取了一系列卓有成效的保溫措施來(lái)確保其發(fā)射成功。

通過(guò)“兒子”找“爸爸”

入軌后，“悟空”將采取“巡天+定向”的方式，在2016～2017年對(duì)整個(gè)宇宙進(jìn)行巡天掃描；之后，在2018年，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行定向觀測(cè)。首批科學(xué)成果有望在衛(wèi)星發(fā)射6個(gè)月至一年后發(fā)布。

那么，暗物質(zhì)既然號(hào)稱宇宙中本領(lǐng)最強(qiáng)的“隱身俠”，“悟空”又是通過(guò)什么樣的方式來(lái)尋找它的呢？

實(shí)際上，“悟空”此次到太空去尋找的并非暗物質(zhì)，而是暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物，有人把這樣的產(chǎn)物比喻成暗物質(zhì)的兒子，打個(gè)形象的比方，“悟空”的探測(cè)方式，就好像是通過(guò)尋找“兒子”找“爸爸”。

為什么要采取這么曲折的方式？這是因?yàn)槟壳翱茖W(xué)家尚未成功觀測(cè)到暗物質(zhì)，因此，人們根本不知道它究竟是什么東西，長(zhǎng)什么樣、有何種特性。這就好比，當(dāng)我們要尋找一個(gè)人時(shí)，如果知道他的樣子、長(zhǎng)相特征、穿的衣服，那相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)好找一些；但如果只知道這個(gè)人可能存在，但并不知道他穿什么衣服，長(zhǎng)什么樣子以及其他一些個(gè)人特征，那就只能通過(guò)排除法，一步一步地篩選、排除，但這種方法無(wú)異于大海撈針，其難度可想而知。

而此時(shí)，如果我們能找到這個(gè)人的兒子，通過(guò)兒子的一些長(zhǎng)相、特征以及基因等來(lái)尋找爸爸，可能會(huì)相對(duì)容易一些?！拔蚩铡碧綔y(cè)暗物質(zhì)采取的就是這種方法。據(jù)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)介紹，如果我們能夠觀測(cè)到暗物質(zhì)湮滅或衰變的產(chǎn)物，那么暗物質(zhì)的質(zhì)量和其他一些物理性質(zhì)以及在空間的分布等信息都可以得到。

不過(guò)，常進(jìn)同時(shí)也指出，暗物質(zhì)的湮滅必須積累到一定程度，或是儀器靈敏度足夠高時(shí)才有可能發(fā)現(xiàn)，而且，對(duì)于暗物質(zhì)的物理性質(zhì)人們還沒(méi)有弄清楚，沒(méi)有人能百分之百保證衛(wèi)星一定能找到暗物質(zhì)。但他也不無(wú)樂(lè)觀地指出：“探測(cè)器是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡。一旦正常工作，相當(dāng)于為我們打開(kāi)一扇新的窗口，陽(yáng)光就會(huì)照進(jìn)來(lái)?！蓖ㄟ^(guò)這扇窗，科學(xué)家們將會(huì)看到更加清晰的物理構(gòu)成，捕捉到更多新奇的物理現(xiàn)象，為人們揭開(kāi)深邃宇宙中更多的未解之謎。（編輯/清揚(yáng)）