悟空號「火眼金睛」探測暗物質，竟是源自一項「搭便車」研究

新聞 11-29

改革開放40年

那些不為人知的瞬間?

暗物質粒子探測衛星「悟空」示意圖。圖片來源：新華網

1997年，美國宇航局在南極開展了一個名為「ATIC」（先進薄電離量能器）的氣球探空項目。

在那次中美聯合試驗里，來自中國科學院紫金山天文台的常進發現了一個奇怪的現象：有一個能量段，大家都認為其計數率應該「下降」，但測量的結果卻顯示為「超出」，也就是不降反增了。

一石激起千層浪，科學家反覆討論：這個奇異現象的背後是否隱藏著暗物質的存在？遺憾的是，常進當時所獲得的數據太少，置信度不高，因此「無法完全確定」。

中國科學院空間科學與應用研究中心主任吳季清晰地記得，13年前，在一台DOS系統的電腦屏幕前，年輕的常進激動地向他展示那條「奇怪的曲線」。「常進跟我說，如果能做一個更大的探測器放在空間，一定能發現了不起的風景。」

2008年，以常進為第一作者的論文在《自然》雜誌發表。在文中，常進論述了電子「超出」可能來自暗物質湮滅。這是科學家第一次發現宇宙高能電子異常，「搭便車」的研究獲得國際矚目。

在常進看來，氣球試驗讓他找到了一種觀測高能電子和伽馬射線的簡單方法，不需要特別昂貴的探測器，「國內也可以干」。

2011年12月21日，暗物質粒子探測衛星項目被正式列入中國科學院戰略先導專項—空間科學專項，常進擔任衛星的首席科學家。

4年後的冬天，中國首顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星「悟空」成功發射，踏上「取經」之路。

這隻被寄予厚望的中國「頑猴」果然出手不凡，首批重要科學成果於去年11月27日向國際社會公布，為人類觀測宇宙打開了一扇新的窗戶，並為人類判斷暗物質是否存在提供了「關鍵性數據」。

「悟空」踏上取經路

在暗物質粒子探測衛星首席科學家常進眼中，「悟空」是一顆堪稱「滿分」的天文衛星。其名源自網路徵集，寓意是通過「悟空」的火眼金睛去探尋暗物質這個「妖魔鬼怪」。

「悟空」在同類設備中擁有工作能段最高、能量解析度最高、粒子鑒別本領最強3項「絕技」。常進介紹，「『悟空』具有百萬選一不出錯、同時看100萬倍能量範圍的能力。說火眼金睛一點也不為過。」

「悟空」衛星是中國科學院空間科學戰略先導專項的首發星，它最早由紫金山天文台的常進研究員於2005年提出，在原中國科學院基礎局、科技部的支持下研製了原理樣機。2011年12月21日該項目被正式列入中國科學院戰略先導專項-空間科學專項，常進擔任衛星的首席科學家。

說起常進與「悟空」之間的故事，時光還要倒退回20多年前。

1997年，美國宇航局在南極開展南極長周期氣球項目ATIC，主要目標是觀測高能宇宙射線，電子、伽馬射線本不在觀測之列。

和高能電子、高能伽馬射線相比，宇宙線的流量要比它們大成百上千倍，也容易觀測得多。「這是個機會！」常進意識到，美國選擇的南極，是地球上觀測高能電子獨一無二的窗口。

於是，常進和他的團隊向美國科學家提出建議，把觀測高能電子也增加到「ATIC」項目中。通過一年多的計算、實驗，最終，美國科學家接受了常進的建議。

1998 年，常進作為中國科學家加入這一項目組。此後7年，常進3次參與南極觀測，在3000多萬個宇宙線粒子里成功找到210個超出正常能譜的高能電子。

2008年，以常進為第一作者的論文在《自然》雜誌發表。在文中，常進論述了電子「超出」可能來自暗物質湮滅，「搭便車」的研究最終獲得了國際矚目的成就。

常進這樣總結我國暗物質探測的二十載征程：「1998年提出科學目標，1999年開始在加速器上驗證我們的實驗方法，2000年開始花了10年時間解決了所有的關鍵技術，2011年開始花了4年時間研製了一顆衛星。」

2015年12月17日，「悟空」衛星發射成功，踏上「取經」之路。

《自然》雜誌刊文指出，「這是中國接下來一系列專註於科學發現的太空任務的第一棒，代表著中國空間科學時代的開始」。

2016年3月，「悟空」號飛天不到3個月，中科院國家空間科學中心即組織專家對衛星進行在軌測試總結評審，當時給出的指標評定為「100分」。

暗物質，我們來了

當前主流科學界認為，人類已經發現的物質只佔宇宙總物質量不足5％，剩餘部分由暗物質和暗能量等構成。揭開暗物質之謎，被認為是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後，基礎科學領域的又一次重大飛躍。

天體引力對光線的折射所產生的透鏡效應，暗示暗物質的存在

常進說，儘管暗物質不會發光、也不與光作用，普通光學觀測也無法發現，不過當一對暗物質粒子偶然正碰的時候，會同時湮滅，可能會放出質子、電子及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。換言之，如果能夠精確測量到這些粒子的能譜，就可能發現暗物質存在的蛛絲馬跡。

人類「捕捉」暗物質主要有3種方法：「上天、入地、對撞機」。其中，「上天」是間接探測方法，即「捕捉」暗物質互相湮滅時產生的痕迹。

暗物質的分布

目前，「上天」的暗物質獵手中有3個較為知名，一個是安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀2號，一個是美國宇航局的費米太空望遠鏡，一個就是中國的「悟空」號。而相比之下，悟空號是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，超過國際上所有同類探測器。

悟空號衛星工作530天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數據點），以及和美國費米衛星測量結果（藍點）、丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀的測量結果（綠點）的比較。

被寄予厚望的「悟空」果然出手不凡，不到兩年的觀測期便迎來首批重要科學成果向國際社會公布——「悟空」衛星在軌運行的前530天共採集了約28億高能宇宙射線，其中包含約150萬25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些數據科研人員成功獲取了目前國際上最精確的電子宇宙射線探測結果。中國科學院於2017年11月27日對外宣布了這個重大消息，研究成果隨後在Nature雜誌在線發表。

當然，這個探測結果還不能確認我們已經發現暗物質。「但這一疑似暗物質的蹤跡，是近年來科學家離暗物質最近的一次重大發現，也將打開人類觀測宇宙的一扇新窗口。」常進對「悟空」號充滿信心。

「今天是一個非常重要的日子，也許在人類科學發展的歷史上，大家會記住今天。」發布成果那一天，中國科學院院長白春禮十分激動：「因為中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞台中央。」

曾「失明」19小時

但如今狀態依然滿分

當然，「悟空」號的取經之路，並非一帆風順。

2017年底的一個休息日，「悟空」號團隊的辦公室里擠滿了人，現場所有人神情凝重：「悟空」號接收到的數據量突然銳減，也就是它用來尋找暗物質的火眼金睛，幾乎失明了！

距離悟空「失明」已經近10個小時。從「悟空」呱呱墜地的那一天起，隊員們就沒日沒夜地在幫助它練就一雙火眼金睛，目的是為了尋找常人看不見摸不著，遁形在茫茫宇宙中的暗物質。

悟空號衛星示意圖。中科院供圖

兩年來，雖然悟空也有過小病小災，但是像這樣失明，還是第一次。

關機意味著巨大的損失，「悟空」號科學應用系統副總師範一中說：「每天運行成本是70萬元，損失500萬個事例，盡量能夠爭取一天是一天，否則一個豪華轎車的錢就沒了。」

一場「天地大營救」在緊張的氣氛中悄然開始。

通過對「悟空」的載荷工程參數進行會診，「醫生們」判斷它的病因很可能是太空中的粒子擊中它身上攜帶的某台計算機，從而導致計算機自動重啟了。

基於這個判斷，紫金山天文台提出了調整指令的申請。時間一分一秒流失，如果不能在短時間解決問題，就意味著數據的丟失會擴大，損失無法估量。負責控制「悟空」的中科院空間中心和西安衛星測控站，最終通過一系列複雜的指令，把重新啟動計算機的信號，發給了天上的「悟空」。

經過19個小時的緊張忙碌，「悟空」的火眼金睛終於重見光明，並繼續在天上執行任務。

時至今日，按照設計壽命3年計算，「悟空」號的太空之旅似乎該結束了。但事實顯然不是。

今年9月，暗物質粒子探測衛星首席科學家常進曾對媒體表示，「悟空」號已獲得近50億個高能粒子，衛星所有設備運行狀態非常好，各種性能和剛發射的時候一樣。衛星運行壽命將由設計的3年延長到5年甚至更長時間。前5年，「悟空」號都將巡天觀測搜尋暗物質粒子存在的證據，5年後，「悟空」號將有望鎖定重點區域轉向定點觀測。