承載著中國人空間科學夢想的暗物質粒子探測衛星“悟空”，17日已從酒泉衛星發射中心飛上太空。它的火眼金睛，能否揭開籠罩在現代物理學天空的兩朵“烏雲”——暗物質和暗能量？且看《經濟日報》記者采寫的報道。

　　看不見的大多數

　　宇宙如此浩渺，星空如此璀璨。當你仰望星空時，你發現了什麼？

　　牛頓發現了萬有引力定律，用它解釋了太陽系天體的運動規律。

　　愛因斯坦得出了相對論，它可以描述時空的彎曲，也可以預示宇宙的膨脹。

　　根據萬有引力定律，恒星的運動速度會隨著與星系中心距離的變遠而下降。但天文學觀測結果卻是，星系邊緣的恒星運動速度並未變慢，這意味著有看不見的物質影響了星系間的引力效應，它們被稱作“暗物質”。

　　按照宇宙大爆炸理論，宇宙的膨脹速度會因為物質之間的引力作用而逐漸減慢，但天文學觀測結果顯示，宇宙在加速膨脹，這説明有一種與引力相反的斥力，在促使所有星系加速遠離。這種神秘的斥力來源，被稱作“暗能量”。

　　“暗”字，表明它們看不見、測不到。

　　最新天文觀測結果説，如果把宇宙看做一塊大餅，暗物質佔26.8%，暗能量佔68.3%，而我們人類能看到或觀測到的普通物質，包括普通重子物質、光子和中微子等，僅佔4.9%。

　　暗物質和暗能量是籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏雲，飛上太空的衛星“悟空”，就肩負著用它的火眼金睛撥雲見日的偉任。

　　“一旦找到暗物質，將會帶來繼相對論和量子力學之後，物理學的又一次革命性突破。”暗物質粒子探測衛星首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進説。

　　既不帶電荷、也沒有磁場的相互作用，暗物質像幽靈一樣神秘而無法感知。對大多數參與暗物質粒子探測衛星研製工作的科學家來説，它是素未謀面的朋友，最熟悉的陌生人。

　　暗物質粒子探測衛星工程衛星系統總師李華旺介紹，要找到這位神秘朋友，目前有三條路線：

　　“創造”法，靠標準模型粒子之間相互作用産生暗物質。“創造”暗物質粒子需要能量，雖然暗物質粒子不能被直接觀察到，但從丟失的能量和分佈可推測暗物質的某些性質。歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC被認為可能“創造”出暗物質粒子。

　　直接探測法，探測暗物質粒子和普通原子核碰撞所産生的信號。由於發生碰撞的概率很小，産生的信號也很微弱，為降低干擾，需要把探測器放置在很深的地下。我國已在四川錦屏山地面以下2400米處建立了世界上最深的錦屏實驗室，開展暗物質探測研究。

　　間接探測法，暗物質和暗物質相互作用，産生新的可見粒子，通過它來反推暗物質的存在。暗物質衛星“悟空”就屬於此種。

　　“悟空”不是唯一的，卻是最棒的，它是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。

　　“4個月前日本發射的暗物質探測器，接收面積只是我們的1/4。悟空1個月頂它4個月，上天后很快就會積累超過日本的數據。”衛星系統副總設計師、中國科學技術大學教授安琪自豪地説。

　　超精密的小蛋糕

　　“悟空”是第一顆完全由中國科學院系統研製、生産的衛星。從2011年立項至今，科學家們為了煉出它的火眼金睛，可謂殫精竭慮、妙想紛呈。

　　衛星的結構設計方案與過去用載荷來適應衛星平臺、載荷只佔衛星總重量幾分之一的中國式衛星設計不同，採取了以載荷為中心的一體化結構設計，讓“悟空”體積小、重量輕、本事大。

　　“悟空”只有一張辦公桌大；體重不足兩噸，1850公斤的品質中，載荷就達1410公斤，衛星平臺才440公斤，用“小車”拉動了“重貨”。“悟空”的載荷主要是四大探測器，從頂部到底部依次為：塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器。它們一層層組裝起來，就像一個昂貴而複雜的蛋糕。

　　如何區分一個粒子？你需要知道粒子的資訊，用能量、品質、電荷、入射角度、徑跡來描繪它的模樣，四大探測器便為此而設，構成了悟空的火眼金睛。

　　塑閃陣列探測器主要由中科院蘭州近代物理研究所研製，是一個扁平結構的探測器，主要測量入射宇宙線粒子的電荷。塑閃的溫度適應性結構設計，是整個暗物質探測器研製中攻破的關鍵技術之一。塑閃分系統主任設計師劉傑説：“塑閃條很長，伸縮大，我們為適應太空環境，設計了一端可滑動的結構。一端固定，一端放鬆，克服了形變帶來的問題。”衛星上天加速度巨大，震動劇烈，一般部件都要擰緊，放鬆滑動的結構是個全新挑戰，怎麼做到的？劉傑表示，這是個秘技，她才不會告訴你，但這個秘技毫無疑問可以用到未來我國其他航太器的設計中去。

　　硅陣列探測器主要由中科院高能物理研究所研製，主要功能是測量粒子入射的路徑和軌跡。該分系統主管設計師龔軻介紹：“我們的科研難點和重點，在於通道非常多，共73728路硅微條，每個條寬只有192微米，必須有這麼密集的硅微條，才能保證很高的位置解析度。”這是我國第一次在航太器中如此大規模採用硅微條，它的功耗控制也超棒，才84瓦，相當於一台家用電風扇。

　　BGO量能器主要由中國科學技術大學和中科院紫金山天文臺研製，它是衛星的核心部分，佔整個衛星的一多半品質，功能是測量宇宙線粒子的能量。BGO晶體的長度決定了探測器的能量分辨能力。中科院上海硅酸鹽研究所研發出長達60cm的BGO晶體供“悟空”選用，而其他國家的BGO晶體一般只能長到30cm。308根世界最長的BGO“水晶棒”在量能器中縱橫交錯排列，讓“悟空”的能量測量能力遠超同儕。“悟空的能量測量範圍，是阿爾法磁譜儀2號的幾十倍。”該分系統副主任設計師封常青説。

　　中子探測器主要由中科院紫金山天文臺研製，中子探測器主任設計師馬濤介紹，它會測量宇宙線粒子與探測器上層物質相互作用産生的次級中子，讓科學家進一步區分宇宙線的成分。

　　在地球上研究粒子物理，需要非常大的探測器，但衛星不能做那麼大。為此，四個探測器結構緊密，能省則省，讓小塊頭也有大本事。暗物質衛星有效載荷數據管理分系統主任設計師、中科院國家空間科學中心研究員朱岩介紹，整個探測器有42000路電子學讀出電路，接近8萬路探測器通道數。如此複雜的探測器主體，卻需要安裝在約1立方米的狹小空間內，技術難度超過了我國目前所有的上天高能探測設備。

　　不確定的新發現

　　在國際同類探測器裏，“悟空”處於什麼水準？

　　“能量解析度、觀測能段範圍都是世界第一，空間解析度、本底抑制都達到國際最高水準。”暗物質粒子探測衛星首席科學家常進對“悟空”的“神通”如數家珍。

　　現在，“悟空”正在高度約500公里的太陽同步軌道上快樂地飛行，它的主要科學目標有三個：暗物質粒子間接探測、宇宙射線起源和伽馬射線天文。它的火眼金睛，每天要觀測約500萬個高能粒子、傳回16G數據。

　　按設計，“悟空”將在軌工作三年以上。頭兩年採取巡天觀測模式，對全天區進行掃描，探測暗物質存在方位。兩年後轉入定向觀測模式，觀測前一階段探測結果分析出的暗物質最可能出現區域，如果巡天模式下未探測到暗物質，則考慮定向觀測國外研究顯示最可能出現暗物質的銀心區域。

　　在“悟空”巡天期間，有100余人的地面科學家團隊對它傳回的數據開展分析研究，首批科研成果可能會在半年至一年後公佈。

　　宇宙空間是人類最後的實驗室，宇宙射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上。“悟空”所提出的觀測對象和觀測能區到目前為止都是國際上的第一次。“人類的每個‘第一次’觀測，都會有許多預見不到的科學發現，我們期望這次觀測也能得到許多‘第一次’的發現。”常進説。

　　如何確認“悟空”是否發現了暗物質？

　　紫金山天文臺研究員馬濤向記者介紹，暗物質粒子相互作用，正反物質發生湮滅，産生電信號，會在科學儀器中體現出來。“不同電子的流量分佈，正常情況下是平滑的衰減曲線。如果曲線上出現小鼓包，就可能有暗物質。我們懷疑，這鼓包會出現在‘悟空’可以探測的高能譜區。”馬濤説。

　　“‘悟空’開始工作後，我們能在太空中，在更長時間和更大範圍裏探測暗物質，有希望獲得比較準確的、可以説服所有科學家的暗物質跡象。”馬濤説。

　　“‘悟空’為我們在空間打開一扇新的窗口，我不能肯定它會找到暗物質，但肯定會有新發現。”常進表示，暗物質的基本物理性質還不清楚，但高能譜區電子有異常則可以肯定，“我們不確定這種異常是否來自暗物質，但只要弄清楚這個異常，就是很大的成果”。

　　事實上，不僅是高能電子能譜，“悟空”觀測到的伽馬射線譜線、伽馬射線空間分佈等都可用於研究暗物質。

　　金猴奮起千鈞棒，玉宇澄清萬里埃。

　　我們期待，攜著水晶棒上天的“悟空”，能用它的火眼金睛，讓暗物質由暗轉明，讓人類看見一個更清晰的宇宙。