用“绝活”探测宇宙中的暗物质——中国首颗暗物质卫星“悟空”成功发射升空

□ 谢 博



用“绝活”探测宇宙中的暗物质
——中国首颗暗物质卫星“悟空”成功发射升空

□ 谢 博

我国“暗物质粒子探测”卫星在轨示意图

暗物质和暗能量是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学晴朗上空的两大乌云，找到主宰宇宙命运的暗物质粒子和确定暗能量性质，无疑是这个世纪物理学最重大的发现。

暗物质披着隐身斗篷，藏匿于宇宙之间，科学家绞尽脑汁，上天（发射暗物质探测器）入地（在地下深处建暗物质探测器），或试图在加速器的“粒子工厂”将暗物质粒子“创造”出来，却依然未能找到它的直接证据。

“悟空”火眼金睛，可否拨云见日，发现暗物质的蛛丝马迹，掀开困扰我们近一个世纪的笼罩在 “隐身胖子”上的面纱一角？

我们已经走到了物理学发展史上一个新的转折点，一场新的变革和革命即将在物理学发生。

在人类的太空探索中，天文卫星的问世使天文学产生了第三次飞跃，因为它改变了以往坐地观天的传统，摆脱了大气层的封锁，可在全波段范围内对宇宙空间进行详细的观测。自从1960年世界第一颗天文卫星上天以来，可见光天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星、红外天文卫星和紫外天文卫星等各类天文卫星层出不穷，其观测成果极大地促进了天文学的发展。为此，美国、欧洲航天局、日本、俄罗斯、印度等越来越多的国家和组织不断研制和发射多种新型天文卫星，并获得巨大科研成果。经过多年努力，我国也于2011年启动了“空间科学先导专项”，将陆续发射各类多颗天文卫星，逐渐改变我国只是天文知识的使用国，而非产出国的局面，以获得重大原创性天文学成果，并使得我国有能力为人类的太空探索、技术进步及社会发展做出持续性的贡献。2015年12月17日8 时12分，我国在酒泉卫星发射场用长征二号丁运载火箭成功发射自行研制的第一颗天文卫星——“暗物质粒子探测”（DAMPE）卫星“悟空”顺利进入预定转移轨道，运行在被黑暗主宰的太空，寻找神秘莫测、幽灵一般的暗物质，从而拉开了我国空间天文学发展的序幕。

2015年12月17日8时12分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空。

大隐隐于宇——如何探测暗物质

暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。其密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大。暗物质无法直接观测得到，本身不和已知的任何明物质发生关系，唯一发生关系的就是引力的变化，能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。

暗物质是由万有引力效应明确证实其存在，但却无法通过电磁波被直接观测到的物质，这是长久以来粒子物理和宇宙学的核心问题之一，其研究成果很可能带来基础科学上的重大突破，导致粒子物理标准模型和大爆炸宇宙论的完善、更新甚至扬弃，预示着人类对物质世界认识的新的革命，直接推进人类对宇宙的演化，对物质的基本结构和基本相互作用的理解，也将是人类对自然界认识革命性的飞跃。所以，不少国家都在开展这一方向的研究。

宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量，其中暗物质约占宇宙27%，暗能量约占68%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。有人形象地把暗物质比喻为看不见的“宇宙胶”，据信，星系不会四分五裂，就是因为被它粘住了。

现在，通常用三种探测方法了解暗物质的本质：地下直接探测、加速器实验探测和太空间接探测。其中地下直接探测的实验是在地下（为了防干扰）布下“靶子”，等着暗物质粒子撞击留下蛛丝马迹，这种守株待兔的方法至今对暗物质存在的参数空间给出了一定的限制；地面加速器上的实验是在加速器的“粒子工厂”将暗物质粒子“创造”出来，这种主动创造的方法目前没有明确地给出暗物质搜寻的结果；太空间接探测实验是到太空捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的证据，此法看到了一些暗物质粒子存在的迹象，但仍需要进一步的数据积累以及更高能量的精确测量，以确定这些信号究竟是来自于暗物质或是其他天体物理过程。这三种方法互为补充，互相印证。“悟空”采用的是太空间接探测的方法。

通过太空间接探测可以了解暗物质在整个宇宙或者特定星系中的情况，与暗物质的空间分布、作用本质联系更加紧密。其最好的探测对象是光子，因为光子不受磁场影响而偏转，可直接反映粒子产生的源的信息。暗物质卫星探测的是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子，这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。

测量宇宙线粒子能量的探测器一般有量能器和磁谱仪两种，其中量能器用于测量宇宙线在探测器中产生的簇射，但无法区分宇宙线的电荷符号。磁谱仪用于测量宇宙线在其磁场中的偏转，能够区分正反物质。我国“暗物质粒子探测”等天文卫星使用量能器探测暗物质；“国际空间站”上的α磁谱仪2号等使用磁谱仪探测暗物质。

延伸阅读：关于暗物质，我们知之甚少……

◆ 看不见、摸不着、“重”如山。

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量，暗物质占26．8%。暗物质不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。

◆ 密度小、速度快，难以捕捉。

延伸阅读：锦屏山探寻“宇宙最神秘粒子”

科学家测算，暗物质粒子的运动速度大约为子弹出膛速度的300倍。

◆ 暗物质应该来自于宇宙大爆炸。

在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

我国已在四川雅砻江锦屏山的隧道内建造了锦屏极深地下暗物质实验室。其上方有厚达2400米的岩石层，可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一，为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。实验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物质的地下实验室。◆ 宇宙的结构与暗物质有关。

由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上，并最终形成了星系。

◆ 暗物质对生命来说是绝不可少的。

它们让我们的银河系、河外星系等在其强大的引力作用之下凝聚成形而不至甩得分崩离析。

暗物质分布图。2007年1月，经过4年的努力，70位研究人员绘制出的宇宙部分区域暗物质分布三维“蓝图”。这张图是通过引力透镜原理获得的。

中国锦屏极深地下暗物质实验室剖面示意图

探测“流窜”粒子——α磁谱仪2号身负厚望

在空间探测暗物质实验方面，目前最著名的是“国际空间站”上的α磁谱仪2号，它已取得了一些重要成果。

与天文望远镜观测物质发出的可见光和电磁波不同，α磁谱仪2号是直接观测粒子本身，因而它有可能能够发现天文望远镜无法发现的暗物质等。

由诺贝尔奖获得者丁肇中为首席科学家的α磁谱仪2号耗资20亿美元，由硅径迹探测器、穿越辐射探测器、飞行时间探测器、永磁体、环像切连科夫探测器等组成。它是利用磁场使正负电子偏转，从而能分辨正负电子的方向，区分正反粒子并测定其电荷。根据偏转的曲率半径还可以计算宇宙线粒子的刚度，结合电荷、速度等测量结果，可以求出宇宙线粒子的能量。

换句话说，它主要是通过强大而特殊的磁场来探测到太空中“流窜”的粒子。带电粒子进入磁场后轨迹会发生变化，不同带电粒子的轨迹变化也不同，而不带电的粒子的轨迹则不会发生变化，因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化，变化程度有什么不同，就可以推知这是何种粒子。

α磁谱仪2号可在太空中对电子、正电子以及电子与正电子总和进行许多独立的测量，已收集到目前为止最大量的宇宙线事例，并给出了最精确的宇宙线能谱。

2014年，“国际空间站”α磁谱仪2号项目研究团队公布了最新研究成果。其测量表明，暗物质可能存在。暗物质碰撞产生过量正电子有6个特征，其中开始点、上升速率、最高点等5个特征都已被α磁谱仪2号测量到，最后1个特征就是要测量正电子产生率会不会突然下降。该项目研究团队认为，要证实过量正电子是由暗物质碰撞产生，6个特征缺一不可。最后一个特征就是正电子比例上升到最高点后是否有骤降，如果观察到骤降，说明过量正电子来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星等天体。因此，α磁谱仪2号正在进一步测量相关数据。丁肇中说，5个特征都已经测量到了，最后1个特征就是产生率会不会突然下降，这个要花很多的时间。如果很快下降一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子，因为暗物质能量有限，到一定能量以后就不可能再产生正电子，所以会突然下降。

2015年4月15日，α磁谱仪2号项目团队公布了最新研究成果，其最新对宇宙射线中正电子、反质子与质子特性的测量，或为理解宇宙射线的产生、延伸及探索暗物质提供重要信息。进入太空4年来，α磁谱仪2号已经收集了超过600亿个能量最高至数万亿电子伏特的宇宙射线事件，其对正电子比例、电子与正电子频谱等的新测量结果无法以现有的常规宇宙射线碰撞模型解释，但却与暗物质碰撞模型相一致，不过也存在受脉冲星等新天体物理源或超新星残骸等宇宙加速和延伸机制影响的可能。α磁谱仪2号对正电子比例、反质子与质子比例、质子通量等宇宙射线事件的测量提供了精确却又出乎意料的信息，这需要一个全面模型断定新的测量特性是否源自暗物质、天体物理源或宇宙加速膨胀机制。

不过，由于受限于可以发射升空的磁场强度大小，α磁谱仪2号测量的能量谱段只有600吉电子伏，最多为800吉电子伏。

装在“国际空间站”桁架上的α磁谱仪2号。

“暗物质粒子探测”卫星的太阳电池翼展开试验（初样阶段）

“暗物质粒子探测”卫星力学振动试验（初样阶段）

载荷现场联试

等待“幽灵”显形——“暗物质粒子探测”卫星任重道远

“暗物质粒子探测”卫星的科学目标是间接探测暗物质，研究宇宙线物理和γ射线天文。它主要探测电子宇宙射线、高能γ射线等，即通过在高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和γ射线寻找和研究暗物质粒子，在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破；通过观测能谱范围在太电子伏以上的高能电子及重核，在宇宙射线起源方面取得突破；通过观测高能γ射线，在γ天文学方面取得重要成果。

该天文卫星质量为1.9吨，其中有效载荷质量为1.4吨。它采用以载荷为中心的设计方案。其有效载荷包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器及载荷数据管理器。

塑闪阵列探测器采用国内研制的世界最大闪烁体，用于测量入射宇宙线的电荷以区分不同核素，区分高能电子和γ射线，由于攻克了“塑闪晶体温度形变适应结构的设计与实现”这一关键技术，所以探测器本底水平比国外同类探测器低5倍以上。与欧洲合作研制的硅阵列探测器达到国际领先水平，主要功能是测量入射宇宙线粒子的方向和电荷。γ射线首先在硅阵列探测器中转化为正负电子对，然后进入BGO量能器。

BGO量能器是“暗物质粒子探测”卫星中最核心、最重的设备，尺寸为60厘米×60厘米×60厘米，其中有数百根晶体棒横竖分层排列。其晶体跟铁比重一样，是一种被广泛用来探测高能带电粒子和γ射线的闪烁体材料，功能是测量宇宙线粒子尤其是电子和γ射线的能量。当高能宇宙线粒子打入BGO量能器后，根据那些发光的晶体来判断粒子到达的方向，因为粒子会在BGO晶体中产生级联簇射，由于宇宙线电子和质子在探测器中产生的簇射的形状完全不同，所以根据宇宙线粒子产生的簇射的形状能判断入射粒子的种类。入射粒子的能量越高，产生的簇射就越大，沉积在探测器内的能量就越多。根据在探测器中的能量沉积可确定入射宇宙线的能量。

探测器做得越厚，能量分辨率就会越高，能量探测范围也就越大。现在，由于这种60厘米长的BGO晶体只有中科院上海硅酸盐研究所能做出来，所以“暗物质粒子探测”卫星是目前观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器。

中子探测器用于测量宇宙线粒子与中子探测器上层的物质发生相互作用产生的次级中子，进一步区分宇宙线的成分。

BGO量能器初样件

BGO量能器初样件

延伸阅读：“看得见”与“看不见”的物质

一棵树，一盏灯，一张桌子，一堵围墙，它们为什么可以被我们看见，被我们触摸，被我们感知？原因是，它们都带有电子而能“发光”，是因为有电磁场的相互作用。这些物质，我们可以称之为“明物质”。人类所熟悉的这些“明物质”即普通物质，只是零星散布在宇宙中的些许点缀，就像夜幕中无边大海上的一点闪光，宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏和最难了解的。

那些让科学家们头疼的所谓“暗物质”，是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，所以它们像幽灵一样，可以穿透阻挡与障碍之物，不着痕迹地从我们身边飞走。它们在宇宙之中既威力无穷又踪影全无。假如没有神秘如斯的暗物质，星系无法在宇宙膨胀过程中坍缩形成，那么既不会有太阳，也不会有地球，更没有你我。因此，尽管我们周围存在一种暗物质流，每时每刻都存在一种交互，例如平均1立方厘米的空气中就可能有成千颗暗物质粒子，但并不能为我们所看到或感觉到。正因如此，我们不得已在其前冠一“暗”字，以与我们周围的普通物质相区别。

根据广义相对论，大质量的物体使光线扭曲形成引力透镜效应。天文学家发现，星系团的质量远远超出其中发光物质的总和。这或许就是暗物质的证明之一。

“悟空”火眼金睛——技高一筹有绝活

“暗物质粒子探测”对高能粒子的探测方法与α磁谱仪2号不同。它虽然不能像α磁谱仪2号那样能探测粒子在磁场中的变化，区分粒子的电极性，但是测量的能量谱段是最高的，可以探测能量极高的粒子。

暗物质相互碰撞并湮灭时会产生明物质，其能量很高。“暗物质粒子探测”卫星探测的是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子，这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。

如果没有暗物质，通常宇宙中高能粒子的分布是逐渐下降的，因此，如果在太空中确定某一个方向观测，从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。要想观测到高能谱段，就必须发射天文卫星，探测器要更大，才能看得更加清楚；而且在太空中受到的干扰最小，天文卫星飞行2～3年，能够累积很多数据，就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是，需要解释为什么会这样。假如探测器什么都没有看到，至少也可以证明这种关于暗物质的理论不成立。

“暗物质粒子探测”将进行巡天观测。经过1～2年的巡天后，如果对某一方向的粒子特别感兴趣，发现新的物理现象，会调整探测器，让它集中观测这个方向。假如存在暗物质，可以进行连续的观测。

初样星

载荷结构示意图

载荷平台一体化设计分解图

受限于可以发射升空的磁铁的大小，α磁谱仪2号只能测量600吉电子伏，“暗物质粒子探测”工作能段为5吉电子伏特～10太电子伏特，并将首次在空间进行1～10太电子伏特的高能电子宇宙射线的测量，所以可以观测到以前在很高能量谱段没有发现的现象。另外，它有非常高的能量分辨率（优于1.5%，超过国际上所有同类探测器），有望在寻找γ射线线谱信号方面有所突破。还有，它不仅做到了能量谱段的高覆盖，而且由于使用的BGO量能器的晶体有60厘米长，所以探测面积很大，使得其捕获稀少的高能粒子的能力很强。由于“暗物质粒子探测”可测量高达100太电子伏特的核子宇宙线，并且能够区分各种宇宙线成分，因此将实现地面探测和空间探测在能谱上的衔接。另外，α磁谱仪2号成本高达20亿美元，“暗物质粒子探测”则低得多，而且研制周期较短，不到4年。

“暗物质粒子探测”天文卫星具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点，在暗物质间接探测方面具有很强的国际竞争力。例如，在γ射线观测方面，其灵敏度远高于α磁谱仪2号等探测器；其高能量分辨大大高于美国“费米”γ射线大面积空间望远镜，整体谱线探测能力比“费米”至少要高10倍以上；在宇宙射线重核探测方面，超过目前国际上所有实验。所以，它有望在暗物质探测和宇宙线物理两大前沿领域取得重大突破，并可望在γ射线天文方面取得重要成果，一旦取得突破，将很可能会带来物理学新的革命。

延伸阅读：“悟空”由来

为提升公众对暗物质卫星的关注度，激发全国民众和海外同胞对空间科学的兴趣和热爱，中国科学院紫金山天文台、国家空间科学中心和人民网共同主办了暗物质粒子探测卫星征名活动。2015年9月29日上午，暗物质粒子探测卫星公开征名活动启动仪式在中国科学院紫金山天文台举行。从当日起至10月31日，全球网友通过网络提交了众多自己对暗物质卫星的命名建议，共收到有效名称方案32517个。在数据统计的基础上经过专家评委投票，由中国科学院批准，正式命名为“悟空”。在公开征集命名的过程中，排名靠前的候选名还有“天眼”、“盘古”、“暗探”和“光明”，最终 “悟空”脱颖而出，得以冠名。将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”，符合将科学卫星以神话形象命名的做法，如美国的阿波罗、欧洲的尤利西斯、中国的玉兔等。

来自宁波市天文爱好者协会的林磊是“悟空”提名者之一，他解释“既借助孙悟空的‘火眼金睛’形容探测器识别暗物质，也因‘悟空’与‘嫦娥’、‘天宫’一样均是明显的中国符号”。

暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进说，“悟空”的“火眼金睛”能够收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子，通过能谱、空间分布分析来寻找暗物质粒子存在的证据，它将替代人类的眼睛，面向浩渺宇宙，寻找宇宙中失踪物质的踪迹。

暗物质粒子探测卫星公开征名活动启动仪式在中国科学院紫金山天文台举行。

未来，我国还将用装在空间站上的“高能宇宙辐射探测设施”（HERD），重点探测暗物质湮灭的γ射线谱线，它将有可能测量到暗物质湮灭的确凿无疑的信号。我国之所以发射了“暗物质粒子探测”卫星，还要搞“高能宇宙辐射探测设施”，主要是为了增加搜寻暗物质的手段和扩大搜寻参数空间，各实验互相补充。“暗物质粒子探测”和“高能宇宙辐射探测设施”的先后实施将使得我国在这个领域保持领先并且做出重大科学发现。

2016年，我国还将发射“硬X射线调制望远镜卫星”、“量子科学实验卫星”、实践十号返回式科学实验卫星，并已制定了2016～2030年中国空间科学发展规划建议，包括“黑洞探针”计划、“天体号脉”计划、“天体肖像”计划、“天体光谱”计划、“系外行星探测”计划、“太阳显微”计划、“太阳全景”计划、“链锁”计划、“微星”计划、“探天”计划、“火星探测”计划、“小行星探测”计划、“木星系统探测”计划、“水循环探测”计划、“能量循环探测”计划、“生物化学循环探测”计划、“轻盈”计划等一系列计划。我国空间科学发展的前景十分广阔。

（责任编辑 张恩红）