2015年12月17日：“悟空”升空的那一刻

2015年12月17日8時12分，我國首顆暗物質粒子探測衛星“悟空號”在酒泉衛星發射中心成功發射升空，順利進入預定轉移軌道。這標志著我國空間科學探測研究邁出了重要一步。

為什么要尋找暗物質

“悟空”的任務是在太空尋找神秘暗物質存在的證據。為什么要尋找暗物質？迄今為止，人類已經發現的物質只占宇宙中的4.9%，剩余部分可能大部分都由暗物質和暗能量等構成。由于暗物質無法被直接觀測，與物質相互作用也很弱，人類至今對它仍舊知之甚少。揭開暗物質之謎，被認為是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論、量子力學之后，人類認識自然規律的又一次重大飛躍。但是暗物質粒子湮滅或者衰變產生的宇宙射線粒子或者高能伽馬射線不能穿透地球大氣，會被吸收掉，科學家們很難在地球上尋找到暗物質。

目前，人類探測暗物質的方式主要分為三類：直接探測、間接探測和對撞機探測。直接探測尋找的是暗物質粒子和核子碰撞產生的信號。這類實驗因為要屏蔽大氣中帶電粒子的影響，一般在地下實驗室進行。中國有世界上最深的地下實驗室—錦屏地下實驗室，因此中國在暗物質直接探測領域取得了很大的成就。對撞機探測主要指目前粒子物理學家利用歐洲大型強子對撞機（LHC）尋找暗物質粒子。大型強子對撞機將大量質子加速到十分接近光速并使它們相撞。粒子在碰撞過程中通過強大的能量釋放產生大量的新粒子。在大量的新粒子產物中有可能包含暗物質。我國正在計劃建設新一代環形正負電子對撞機（CEPC），并在第二階段升級為質子對撞機，屆時對撞機能量比目前運行的歐洲大型強子對撞機能量高7倍，尋找暗物質也是其重要的科學目標之一。間接探測主要是尋找兩個暗物質粒子互相碰撞湮滅時所產生的信號。這種信號在宇宙射線能譜上表現為各種“超出”或者“鼓包”。因為大氣對宇宙射線的屏蔽作用，這類實驗需要發射空間探測器在大氣層進行探測。目前，“上天”的暗物質獵手中有4個最為知名：一個是安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀2號，一個是美國國家航空航天局的費米太空望遠鏡，一個是日本的量能器電子望遠鏡，還有一個就是中國的“悟空號”。

“悟空”―尋找暗物質的“火眼金睛”

以《西游記》中的美猴王名字命名的衛星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。位于衛星核心部位的BGO能量器包含了308根縱橫交錯的晶體，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界上最長的BGO晶體。這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量。電子和質子與晶體發生相互作用，產生類似淋浴噴水形狀的簇射，而電子和質子產生的簇射形狀不同，因而科學家可以區分出質子和電子。它是人類發現和認識神秘暗物質的“火眼金睛”，能通過高能和高分辨率的儀器來測量宇宙射線中正負電子之比，從而找出可能的暗物質信號。

“悟空”是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器，其觀測能段是國際空間站阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。作為我國首顆空間粒子探測衛星，“悟空”的科學目標包括：通過觀測高能電子、伽馬射線來尋找暗物質粒子的可能蹤跡；研究宇宙射線的起源、傳播和加速機制；找到宇宙中伽馬射線的電磁對應體。與國際上其他暗物質探測衛星相比，“悟空”有3個顯著優勢：一是能夠測量的宇宙射線的能量非常高，可以測量到104吉電子伏特；二是能量分辨率高，可以達到1%左右，測得比較準；三是測量能量的本底比較低，也就是區分電子和質子的能力非常強。

“悟空”的重大發現

2017年11月30日，國際權威學術期刊《自然》在線發表“悟空”首批探測成果：精確測量到太空中的電子宇宙射線能譜。電子宇宙射線的正常能譜變化應是一條平滑曲線。根據“悟空”積累的觀測數據，科學家們發現在0.9萬億電子伏特處電子能譜呈現出明顯的拐折，并且有初步跡象表明在1.4萬億電子伏特的超高能段呈現出異常波動，反映在圖上是一個“尖峰”。 這對于判定部分電子宇宙射線“是否來自于暗物質”起著關鍵性作用。

截至2018年底，“悟空”已繞地球飛行了16597圈，探測宇宙射線粒子55億個。在相同時間內，它積累的萬億電子伏特以上的觀測數據相當于國際空間站上的日本量能器電子望遠鏡和阿爾法磁譜儀2號實驗的5倍以上，意味著完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于這些數據，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果。“悟空”為人類觀測宇宙打開了一扇新的窗戶，并為人類判斷暗物質是否存在提供了“關鍵性數據”。

2018年12月，“悟空”研制團隊宣布， “悟空”完成了初定的三大科學目標。雖然“悟空”已在軌運行3年，達到了預期使用壽命，但由于“悟空”運行狀態非常好，將延長“悟空”工作時間兩年。 延長工作時間是讓“悟空”積累更多的數據量。接下來的兩年，“悟空”將繼續進行空間粒子探測數據的積累工作，以期獲得更多的空間粒子物理成果。

（本刊記者）

【責任編輯】蒲 暉