“悟空”巡天

文/本刊特約記者　溫來生

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“悟空”巡天

文/本刊特約記者溫來生

京郊懷柔“悟空”上天了！

此“悟空”，當然不是齊天大圣——孫悟空，而是探測衛(wèi)星“悟空”！

元旦前夕，中國首顆暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功升空，并順利進入預定轉移軌道。此次發(fā)射任務圓滿成功，標志著我國空間科學研究邁出重要一步，同時也意味著位于北京市懷柔區(qū)雁棲開發(fā)區(qū)的中國科學院國家空間科學中心正式開始執(zhí)行其科研使命。

懷柔基地遙控“悟空”

“發(fā)射17秒后程序轉彎，發(fā)射790秒后星箭分離，火箭的入軌精度及分離時給衛(wèi)星提供的姿態(tài)都很準確，比原定理論值還要精確。”空間科學衛(wèi)星工程常務副總指揮、中科院國家空間科學中心主任吳季介紹，發(fā)射階段任務取得圓滿成功。

據悉，“悟空”將于2016年3月開始正式巡天，另有3顆科學衛(wèi)星“蓄勢待發(fā)”。作為中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項的首發(fā)星，它“開了好頭”。

成功升空的“悟空”衛(wèi)星觀測能段范圍之寬、能量分辨率之優(yōu)，超過國際上其他同類探測器。而今后檢測“悟空”運行狀況、為其發(fā)送任務指令以及收集“悟空”采集的科學數據則全部由空間中心懷柔基地的地面控制中心負責完成。

“‘悟空’是中國古典名著《西游記》中主角齊天大圣的名字，其形象家喻戶曉，‘美猴王’(MonkeyKing)之稱也在海內外廣為流傳。另一方面，‘悟’有領悟的意思，‘悟空’有領悟、探索太空之意，‘悟空’的火眼金睛，猶如暗物質粒子探測衛(wèi)星的探測器，可以在茫茫太空中，識別暗物質的蹤影。同時這也符合國際上將科學衛(wèi)星以神話形象命名的做法。”空間科學懷柔基地負責人介紹，該地面控制中心早在一個月前就已經進行衛(wèi)星升空后的預演工作，正式升空后將在未來三年執(zhí)行對衛(wèi)星“上傳指令，下達數據”的任務直至“悟空”完成它的歷史使命。明年該控制中心還將承擔另外三顆衛(wèi)星的“上傳下達”任務。

中科院空間中心懷柔基地是中科院北京懷柔科教產業(yè)園的重要項目之一，總占地168畝，主要測試運行硬X射線望遠鏡衛(wèi)星、量子科學實驗衛(wèi)星、暗物質粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星以及重大國際合作計劃“夸父計劃”的三顆衛(wèi)星，并將論證和遴選“十三五”期間將要發(fā)射的6至7個新的空間科學衛(wèi)星計劃。

同時，中心還負責組織開展國家空間科學發(fā)展規(guī)劃研究，空間科學衛(wèi)星工程的管理、組織實施，進行空間科學衛(wèi)星在軌運行管理和數據管理。不僅如此，懷柔中心還將協(xié)助首席科學家組織空間科學衛(wèi)星的數據分析，開展空間科學及相關應用領域的創(chuàng)新性科學與技術研究工作。

世界各國爭相探索暗物質

暗物質和暗能量，被科學家們稱為“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”。現(xiàn)有物理學的標準模型預言的61種粒子目前都找到了，但暗物質不在其中，如果發(fā)現(xiàn)暗物質，將會帶來相對論和量子力學之后物理學基礎理論的又一次重大突破。目前，中國和世界各國已著手籌建或實施多個暗物質探測實驗項目。

暗物質，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學家僅知道它們存在，卻無法探測到它們。暗物質衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說，當我們仰望星空，其實只看到了宇宙的冰山一角，宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏的。天文學家估算，宇宙中95%以上是人類還沒有弄清楚的暗物質（26.8%）和暗能量（68.3%），只有不到5%是已知的普通物質。它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現(xiàn)空間科學重大突破。

中科院國家空間科學中心主任吳季說，“宇宙中，我們能看見的物質，都因為帶有電子而能‘發(fā)光’，我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。而暗物質是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。” 吳季說，“因此盡管我們周圍存在暗物質，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子，但我們并不能看到或感覺到。”暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域，全世界的科學家都在不遺余力地尋找暗物質、暗能量及其隱藏的巨大科學寶藏。

為此，我國把空間科學先導專項列為迄今為止最大的系列空間科學衛(wèi)星計劃，首批列入“十二五”規(guī)劃的衛(wèi)星共4顆，探測暗物質的“悟空”是首發(fā)星，已順利升空。吳季介紹，其余3顆分別是進行空間微重力實驗的實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星、實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子保密通信試驗的量子科學實驗衛(wèi)星、研究黑洞的性質及極端條件下物理規(guī)律的硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星，都將在明年陸續(xù)升空。

“目前我國在天上運行的衛(wèi)星有100多顆，基本都是氣象、遙感、通訊等應用衛(wèi)星，用于支撐基礎科研前沿探索的衛(wèi)星還很少。現(xiàn)在空間衛(wèi)星領域，特別需要加強‘悟空’這樣的基礎科學研究衛(wèi)星。”中科院重大任務局局長王越超說。

中國科學院院士、中國載人航天工程技術顧問顧逸東指出，如果在空間科學上沒有被國際同行公認的重大成就，與航天大國的地位完全不相稱，而空間科學先導專項相當于一條“跑道”，中國空間科學終于可以奮起直追。

“悟空”怎樣施展“神通”？

“悟空”暗物質粒子探測衛(wèi)星是中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項中首批立項研制的4顆科學實驗衛(wèi)星之一，是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質粒子探測衛(wèi)星。衛(wèi)星上裝載的暗物質粒子探測器，將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務，探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規(guī)律。

“悟空”采取了與以往中國衛(wèi)星完全不同的創(chuàng)新結構方式。“過去車大貨少，這次車貨一體設計，有效載荷比重大，國際上都算非常高的。”暗物質粒子探測衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師李華旺介紹說，以前衛(wèi)星載荷只占其總重量的幾分之一，但“悟空”體重1.85噸，其中有效載荷1.41噸，有效載荷比高達76%。這樣的設計讓“悟空”本事又大，花錢又省。

暗物質粒子探測衛(wèi)星首席科學家、中科院紫金山天文臺副臺長常進介紹，“衛(wèi)星由四個探測器合成，構造特別復雜，能量分辨率、電子和伽馬射線的觀測能段都是世界第一，空間分辨即角分辨率、本底抑制都和國際最高水平基本相當。衛(wèi)星上天約8天后可以開始采集數據并做標定，半年后會有初步的發(fā)現(xiàn)。我們希望在空間打開一扇新的窗口，不能肯定會找到暗物質，但肯定會有新現(xiàn)象、新發(fā)現(xiàn)”。

“它體積雖小，功能卻非常強大。”常進介紹，衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（CERN）進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標，表明它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強3大優(yōu)勢。衛(wèi)星系統(tǒng)總設計師李華旺介紹，衛(wèi)星由4個科學探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器，共同構成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起，就像一個四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

據悉，進入太空后，“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式：在頭兩年采用巡天觀測模式，由于暗物質可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對全天掃描；兩年后衛(wèi)星轉入定向觀測模式，根據全天區(qū)探測的結果分析出暗物質最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對這些區(qū)域開展定向觀測。衛(wèi)星每天將傳回約16G數據量，地面100余人的科學家團隊將對數據展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年后發(fā)布。

目前，“悟空”在升空后已成功獲取首批科學數據，地面支撐系統(tǒng)密云站成功接收到衛(wèi)星首批探測到的科學數據，并將數據實時傳送到位于懷柔的地面支撐系統(tǒng)空間科學任務大廳。暗物質衛(wèi)星首席科學家常進介紹，接收到的數據顯示，暗物質衛(wèi)星的塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器等四大科學載荷探測到的高能電子和伽馬射線計數與此前地面預測計數率一致，表明暗物質衛(wèi)星的有效載荷已開始正常工作。“悟空”巡天碩果，將助力我國暗物質科學早日取得重大進展。

科學家們稱，將暗物質粒子探測衛(wèi)星命名為“悟空”，既希望提升空間科學的認知度和關注度，同時希望借傳統(tǒng)文化提升中國公眾的科學素養(yǎng)，特別是激發(fā)青少年探索未知。