我国首个天文卫星“悟空”，有望揭开暗物质神秘面纱

2021-01-04张晔

文张晔

当全国上下都在庆祝国庆、中秋佳节时，天上那只“猴子”依旧奔跑在太阳同步轨道上，忙忙碌碌。

而500公里之下的中国科学院紫金山天文台“悟空”号科研团队，在首席科学家常进院士的带领下也没闲着，他们正在深入分析宇宙线和伽马射线数据。

自2015年12月20日接收到第一帧数据至2020年9月30日，“悟空”号卫星已在轨飞行1746天，完成了全天区的第9遍扫描，共探测并处理了约86.9亿个高能粒子。

“悟空号的设计寿命为3年，目前探测器及卫星平台运行状态良好，已于2019年1月正式进行首次延寿运行，为期2年。基于悟空号目前优异的工作状态，可望于2021年1月再次延寿运行。”团队负责人之一范一中研究员告诉科技日报记者。

美猴王的“水晶棒”将拨开暗物质“乌云”

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地将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。

“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空间望远镜。”常进说，它有望深刻地变革人类的宇宙观，实现空间科学重大突破。

“悟空”的使命是寻找宇宙暗物质。科学家推测，宇宙中95%以上是暗物质和暗能量，其中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用，它无法用任何光学或电磁波观测设备直接“看”到。

人类探测暗物质的方式主要分为三类：一是对撞机探测，主要有欧洲核子中心的大型强子对撞机；二是在地下进行的直接探测，我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；三是间接探测，主要在空间进行。

“悟空”卫星就是采用第三种方式。物理学家们认为，暗物质粒子碰撞后会产生高能粒子，如伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。暗物质卫星就是精确探测这些粒子，通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

目前，国际上有三个著名的暗物质探测器，“悟空”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

以《西游记》中的美猴王名字命名的卫星“悟空”，没有携带金箍棒，却带了300多根“水晶棒”。

卫星的BGO能量器包含了308根纵横交错的晶体，每一根都有2.5厘米见方、60厘米长，这是世界最长的BGO晶体。这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量，从而获取宇宙粒子的蛛丝马迹。

每天清晨和傍晚，“悟空”都会路过中国上空。位于密云、喀什、三亚的三个数据接收站，每天接收它回传的约16G数据。而“悟空”号科研团队就是要从日积月累的海量数据中分析出有价值的科学成果。

早在2017年，“悟空”号科研团队就已向世界展示出首批成果：精确测量太空中的电子宇宙射线能谱。2019年，团队再次公布了对质子宇宙射线能谱的精确测量，发现能谱上存在一处新的结构。科学家们推测，这可能是邻近某宇宙射线源的印记。

科学家从宇宙射线能谱中得出的判断是否准确，有两个相关因素：一是累积的数据量，二是背景的干扰。数据量当然多多益善，而背景则是越低越好。

因此，常进院士的生活规律就是早上醒来先看前一天卫星数据的总结报告，每晚看完当天已下载数据的分析才能入眠。

目前，“悟空”号科研团队正开展氦核宇宙射线能谱分析。“我们发现氦核能谱也存在类似质子谱的拐折结构，将为我们进一步理解宇宙射线起源这一世纪谜题提供重要数据。”紫金山天文台袁强研究员告诉记者。

此外，“悟空”号团队还在伽马射线数据中搜寻暗物质信号，并正积极推动下一代暗物质粒子探测卫星——“甚大面积伽马射线空间望远镜（VLAST）”的关键技术攻关。