中国第一颗暗物质探测卫星运行逾一周年

本报记者张宝树

《人民日报海外版》(2008年版，2017年1月21日)

鸿蒙初年，没有克隆人，但悟空被要求打破顽固在广阔无垠的天空中，中国的“悟空”总是瞪大眼睛，从神秘的空间捕捉“恶魔”粒子，以寻找被认为“隐藏在城市中”的暗物质，并在鸿蒙之初揭开永恒宇宙的神秘。

揭开永恒宇宙的神秘是全人类的梦想。只有通过坚持不懈的努力，世界上最好的科学家才有希望解决这个问题。作为中国科学家智慧和汗水的结晶，已经在轨道上运行了一年多的悟空表现如何？它携带的先进设备的运行状态如何？你抓到任何关于暗物质的线索了吗？

身体健康，表现出色

两个优秀的学生在一年内收获很多

作为中国第一颗暗物质粒子探测卫星，悟空的核心部件已经完成了相关的国际级测试和实验，但其适应空间环境的能力需要进一步检验。与此同时，在宇宙射线和太阳耀斑的威胁下，它已经在轨道上运行了一年多，并保持了良好的“物理”状态，这是“铁的事实”。

令人高兴的是，在最近于南京举行的“悟空”一周年学术会议上，所有出席会议的中外暗物质专家给“悟空”满分100分。经过详细的“体检”，三个“悟空”四个有效载荷，即塑料闪烁体、BGO(锗酸铋晶体)热量计和中子探测器，工作正常100%，硅径迹探测器正常工作率达到99.85%，明显优于原目标的97.5%。

在工作表现方面，勤奋敬业的“悟空”获得了又一个满分。成功发射后不到3天，“悟空”x波段首个轨道的下行数据成功接收、记录并传输到中国科学院国家空间科学中心，标志着中国科学院与地面站之间的数据传输链路正式开通。此后，为期三个月的在轨测试任务顺利完成并顺利交付。经过一年的运行，经过严格评估，“悟空”在粒子电荷测量、能量测量、方向测量、粒子识别等方面取得了重要进展。它已经完全达到或超过了设计目标，完成了两次全天覆盖，共检测到18亿个粒子。在这些粒子中，在5GEV到10TEV范围内的高能电子的数量已经达到100万。它们可能来自暗物质湮灭。“悟空”还发现了一些粒子，它们显示出一些奇怪的现象，而这些现象是现有的基本物理知识无法“解释”的，这些粒子可能包含暗物质信号。此外，“悟空”还有两个显著的表现:一是完成了全天伽马射线图，二是成功探测到黑洞CTA102伽马射线爆发，紫金山天文台1米近地天体巡天望远镜的记录证实了这一点。

装备精良，显示出神奇的力量

创造3个世界之最

紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进激动地说，“悟空”已经超出了人们的预期，正在朝着打开物理学新窗口的方向稳步前进！日内瓦大学的吴欣教授也对悟空的表现给予了高度评价，并相信他会大大扩展他的“服务”。他说，目前有超过70，000个探针粒子通道正常工作，备用设备未投入使用，设计寿命为3年，预计运行5至10年。与此同时，越来越多的目标粒子被收集起来，绘制的能谱越来越稳定，这有望尽快取得突破性的发现。

与阿尔法磁谱仪等类似国际检测设备相比，“悟空”在性能上具有显著优势。它有三个“世界上最大的”固有优势:最高的能量分辨率、最宽的观测能量范围和最强的高能粒子识别能力。优秀的性能归功于优秀的武器装备。悟空在中国有许多独特的技术。例如，探测器的核心部件BGO量热仪在“悟空”之前仅使用了30厘米的晶体，而“悟空”BGO量热仪的晶体长度达到了60厘米，这是中国科学院上海硅酸盐研究所生产的正品国产产品。BGO量热计的性能已经通过欧洲核子研究中心进行的严格光束校准实验进行了测试。该实验利用高能粒子测试探测器的探测性能，确认各项性能指标是否满足设计要求，为后续卫星在轨实验数据分析提供标定依据。在方案和初始样品开发阶段，BGO量热仪子系统分别于2012年和2014年在欧洲粒子物理研究所成功完成了两次光束校准实验。用高能电子束流验证量热仪探测器、电子学、在线控制装置及相关数据分析软件等部件运行正常，能量分辨率、能量线性度等重要指标合格。经过反复试验，“悟空”BGO量热计在同类探测器中具有最大的动态数据读取范围。同时，“悟空”不仅能测量粒子的能量，还能区分粒子的类型。

中国智慧，姚

在九天内捕获暗物质

科学家将暗物质比作“21世纪笼罩在物理学天空上的乌云”。它涉及宇宙生成和演化的基本问题，对帮助人类认识世界具有重要意义。悟空的任务是探测暗物质粒子，它无疑是中国科学家促进人类了解世界的利器。经过一年多的成功运行，它将在总结经验的基础上进一步提高检测效率，更好地完成任务。根据计划，“悟空”将在头两年进行全天扫描，接收来自宇宙各个方向的高能电子和高能伽马射线。然后，根据全天探测的分析结果，它将对暗物质最有可能出现的区域进行定向观测。

当“悟空”用他燃烧的眼睛扫视太空九天时，另一个以暗物质探测为主要目标的“熊猫计划”也正在中国四川省雅砻江锦屏山垂直岩石下2400米处紧张实施。“天堂入地”，“悟空”+“熊猫”，这是中国科学家揭开暗物质之谜的动机。作为一门前沿科学，暗物质探测无疑是世界顶尖科学家竞相争夺的领域。美国、意大利、日本和其他国家都发射或放置了探测暗物质的仪器，由诺贝尔奖获得者丁肇中领导的团队无疑是最著名的通过放置在国际空间站上的阿尔法磁谱仪探测暗物质的团队。

“目前，世界上有几十个探测暗物质粒子的实验。随着灵敏度的逐渐增加，暗物质粒子的剩余参数空间变得越来越小，人类可能很快就会揭开暗物质的神秘面纱。”常进在一篇文章中对未来作出了乐观的判断，并对《悟空》的出色表现表示了充分的信心。然而，熊猫项目负责人吉祥东教授对中国科学家在暗物质探测方面的突破充满期待。他说在现代科学史上很少有中文名字，大多数教科书都是由西方人写的，比如牛顿和爱因斯坦。在暗物质领域，我们希望中文名字会出现在未来的教科书中。现在机会就在我们面前，我们不能再错过了。

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藏在城市里

自20世纪30年代以来，天文学家们相继从观测中发现了一些证据，表明宇宙中物质的质量远远大于所有可见物质的总和。例如，他们发现银河系中千千的一万颗恒星的移动速度比预期的要快。如果没有更多的东西来施加额外的重力，银河系本身将会被撕裂，无法凝聚和形成。例如，像星系团这样的大型天体可以弯曲星光，扭曲和放大它们后面遥远星系的图像。通过这种引力透镜效应，天文学家发现星系团的质量远远超过其中发光物质的总和。因此，天文学家假设宇宙中有一种看不见的物质，称之为暗物质。结合现有的天文观测证据，天文学家普遍认为宇宙中暗物质的质量大约是普通物质的5.5倍。

主流理论认为暗物质可能由一大类粒子组成，称为弱相互作用大质量粒子(WIMP)。与构成我们身体和周围一切的基本粒子不同，这些暗物质粒子质量很大，但不参与任何电磁相互作用。不要低估这种“独特的技能”。归根结底，我们可以看到、触摸、品尝、闻到和听到我们周围的其他事物，这些都是电磁相互作用贡献其力量的结果。因此，完全不参与电磁相互作用的WIMP粒子相当于在粒子世界中拥有卓越技能的隐形胖子，他们既看不到也摸不到它们，更不用说用其他感官感受它们了。

(文心)

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检测良好

科学家有三种方法来探测暗物质粒子。

(1)主动创造法。在一定条件下，能量和质量可以相互转化。如果足够高的能量集中在一个非常小的空间体积中，能量将被转换成各种粒子并被散射，这些粒子将被科学家们安装在周围的各种探测器记录下来。如果能量足够高，理论上，这种碰撞可能会产生暗物质粒子。大部分能量将在粒子碰撞中损失。如果这种能量消失发生，它可以为暗物质粒子的存在提供直接证据。

(2)等待兔子。暗物质粒子将参与弱相互作用。这种力不同于电磁力，只能在原子核内起作用。因此，尽管暗物质粒子是不可见的，但这并不意味着它们可以不受任何阻碍地横冲直撞。像野生兔子一样，它们也可能撞上核残肢。被暗物质粒子击中的原子核会发光发热，或者被撞出原来的位置。科学家可以探测到这些光和热以及它们的位置运动。不幸的是，原子核太小，暗物质粒子撞击它的概率很低，几乎可以忽略不计。科学家在巨大的探测器上装载了大量的活性物质，等待通过的暗物质粒子碰巧击中其中一个原子核。当然，为了尽可能消除其他粒子与原子核碰撞的干扰，科学家们经常将这种暗物质探测器埋在地下深处，让厚厚的岩石层尽可能屏蔽其他无法隐藏的粒子。

③九天检测法。一些理论预测，当两个暗物质粒子相遇时，它们会相互湮灭，产生高能伽马射线或正负粒子的高能对。伽马射线和普通反物质粒子都可以被直接探测到。如果科学家在暗物质集中的地方探测到过量的伽马射线，或者在宇宙中探测到来源不明的高能反物质粒子，它们可能来自反物质粒子的湮灭，从而为反物质的存在提供间接证据。然而，由于这些信号不能很好地穿透地球大气层，所以使用这种方法来间接搜寻暗物质的探测器必须在运行之前发射到地球之外。“悟空”用第三种方法探测太空中的高能粒子和伽马射线，希望找到暗物质存在的证据，并推断出它们的一些性质。

(据新华社报道)

图画:何梦

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