“悟空”号卫星载荷与科学团队：打破顽冥须“悟空”

赵汉琪

当你仰望茫茫星海，当你感叹宇宙浩瀚，有这样一群年轻人，在这片遥不可及的星辰大海中寻找一种看不见、摸不着、变幻莫测的特殊猎物——暗物质。

2015年，暗物质粒子探测卫星（英文：Dark Matter Particle Explorer，缩写：DAMPE，简称悟空号）横空出世，填补了中国空间天文觀测空白，打开了高能宇宙线粒子直接探测、空间伽马天文观测的新窗口，开创我国空间高能粒子物理星载观测新时代。

中国科学院紫金山天文台“悟空”号卫星载荷与科学团队的有为青年们，实现了众多关键技术突破，短短四年完成“悟空号”工程研制并发射升空，对揭示暗物质的谜团和高能宇宙线起源与加速机制具有重大意义。

人类对暗物质的孜孜以求究竟能换来多少看得见摸得着的改变？对于这群年轻人来说，探索星河霄汉、打破认知壁垒，是他们投身科学的初心。他们前进的每一小步，都能照亮通往星辰大海的征程。

“火眼金睛”看太空

2015年12月17日，甘肃酒泉。长征二号丁运载火箭整装待发，准备搭载暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射升空。

“五、四、三、二、一，发射！”伴随倒计时，“悟空”号踩着“七彩祥云”顺利升空，踏上“取经”之路。它将在距地球500公里高的轨道上运行，用于探测高能粒子、能量和电荷。自发射至今，“悟空”号已探查40亿个宇宙高能粒子。每天，它以绕地球15圈的速度行进60万公里，努力为人类拨开暗物质迷雾。

“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。”中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长、暗物质卫星首席科学家常进说，“它有望深刻改变人类的宇宙观，实现空间科学重大突破”。

“悟空”号的使命是寻找宇宙暗物质，那么究竟什么是暗物质？

常进介绍，宇宙中不发光的东西很多，有些能通过光学或电磁波观测设备“看”到，但暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用，到目前为止，人们还不知道用什么方式能够找到。

“虽然无法直接看到，但人类相信暗物质的存在。如果没有这些物质，那宇宙中很多现象是无法解释的。”宇宙中星系运动速度之快、离心力之大，仅靠可探测的发光物质束缚不住。科学家推测，可见物质总质量大约只能占到宇宙总质量5%，另外95%都是不可见物质——暗物质和暗能量，其中暗物质可以占到宇宙总质量27%。

尽管听上去，暗物质探测困难重重，但暗物质并没有“暗”到无法被发现的地步，它的湮灭会放出伽马射线、中微子和其他带电高能粒子，这些蛛丝马迹为暗物质的发现提供了理论依据。

目前，人类探测暗物质的方式主要分为三类：第一是对撞机探测，欧洲核子中心的大型强子对撞机居世界领先水平；第二是在地下进行直接探测，在我国四川雅砻江锦屏山隧道里，中国建成了世界上最深的地下实验室；第三是间接探测，主要在空间进行。

“悟空”号卫星就是采用空间探测方式。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。暗物质卫星能精确探测这些粒子，通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

“悟空”号上天后，捷报频传。2016年，“悟空”号团队得到中国首个GeV以上能段伽马射线天图，这展示了探测器的良好工作状态，标志着中国在伽马射线空间探测领域首次占有一席之地。

2017年，“悟空”号团队在《自然》（Nature）杂志上发表了世界上最精确的TeV能段的电子宇宙线能谱，首次以高置信度揭示了电子宇宙线能谱在0.9TeV附近的拐折；同时，展示了1.4TeV附近一个可能的异常超出。这些成果引起全世界相关科学领域的轰动。科学（Science）杂志评论，“这些成果表明中国空间科学的崛起”。

2 0 1 9年，“悟空”号团队在《Science Advances》杂志上发表了世界上能段最高的质子宇宙线直接测量能谱，首次揭示了在14TeV附近的拐折，对揭示高能宇宙线的起源与加速机制具有十分重要的意义。

2020年底，“悟空”号团队完成氦核宇宙线能谱直接测量，进一步揭示了高能宇宙线的起源与加速机制。目前“悟空号”号状态稳定，数据质量优异，为后续不断产出重要科学成果奠定了坚实基础。

在紫金山天文台研究室的一面墙上，悬挂着“悟空号五周岁生日快乐”的横幅。每年12月17日，团队成员都会给“悟空”号庆祝生日。“大家都很喜欢这个名字”，团队成员陈灯意说，“卫星发射前夕，通过公开征名和专家评选，选出这个名字，寓意通过悟空的火眼金睛捕捉到暗物质，帮助我们‘领悟太空”。

“悟空”号设计寿命为三年，如今它已经正常运行五年有余，是全世界目前在轨运行的同类探测设备中，探测能段最宽、本底鉴别能力最强、能量分辨最优的探测器。根据其状态，团队决定继续延寿运行。“悟空”号所取得的突出科学成果，对于解开暗物质谜团和揭示高能宇宙线起源与加速机制具有重要意义。

“悟空”诞生记

“悟空”号从酒泉卫星发射中心升空后，常进马不停蹄赶到西安和北京密云的测控中心监测数据。赶回南京后，他向在紫金山天文台还沉浸在成功喜悦中的团队成员泼了盆冷水：“还没到享受成功的时候。卫星探测器是成功了，但科学家的任务还没完成。”

在团队眼中，常进是“悟空”的“师父”，他用二十多年时间上下求索，寻找探测暗物质的“眼睛”。

1992年，在中国科学技术大学硕士毕业的常进来到紫金山天文台，在空间天文实验室开展研究。刚过而立之年的他意识到，高能电子、伽马射线是人类观测宇宙的空白，在这个领域美、日等国早已遥遥领先，中国不能一味跟跑。在经费紧张的情况下，他用东拼西凑的仪器进行研究，提出一种新的电子宇宙射线探测方法。

1998年，常进在德国做访问学者，得知美国要在南极开展一个宇宙射线观测项目——ATIC。根据自己的新探测方法，常进认为 ATIC 完全可以在不改动硬件的情况下观测高能电子和伽马射线，这可能会让自己的方法得到一个难得的验证机会。几经波折，他成功说服美国科学家把探测器送到瑞士加速器上试验，结果证明他的方法完全可行。

两年后，像足球场一样大的ATIC气球在南极升空，在离地面37公里的高空完成了人类对高能电子的首次观测。分析数据后，常进意外地发现，观测到的高能电子流量远远超出模型预计的流量。是仪器有问题吗？常进和他的团队花了一年多时间检查仪器，用了很多方法证明仪器没有问题。

于是，他本能地联想到萦绕在他脑海中太久的词——暗物质。此后几年，常进与合作者不断改进设备和观测方法，又在南极进行了3次观测。

从那时起，常进用了十年时间探索异常数据背后的真相。他把自己扔进无边无际的浩瀚数据中，在他爱人眼里，他已经“走火入魔”，“每天嘴里都小声嘀咕着，忽然来了灵感无论多晚马上赶到实验室”。

数据的异常究竟是否来自暗物质，还不能完全确认。气球只要还在大气层内，高能粒子与大气碰撞就会产生大量“噪音”。要想看得更清楚，必须排除其他天体干扰，到太空去探测。

暗物质卫星探测器的想法，2002年就在他的头脑里形成。他做了无数次试验和计算，随着技术的进步，不断改进细节。2008年，常进作为第一作者在《自然》（Nature）杂志上发表文章，介绍有关宇宙高能电子异常的发现。这一发现被美国物理协会和欧洲物理协会评为当年世界物理学领域的重大研究进展。评论普遍认为，该观测如果被证实，将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。这引发了一轮国际探索暗物质的热潮。

“很多人说他运气好，一下就找到了捷徑，搭上了便车。但很少有人去想，一个中国普通研究员，不出一分钱的探测器，如何打动了一个国外主导的项目。”伍健常常有这种感慨，他是常进的师弟，也是“悟空”号的科学应用系统总设计师。2008年，伍健离开丁肇中先生位于苏黎世的研究团队归国，加入常进团队。伍健回忆，当时在国际大型实验中，如有科学发现，文章作者都是几百人，中国科学家在其中也起不到主导作用，“按照姓氏首字母排序，我的W永远在后面。而现在再辛苦，是做我们自己主导的科学研究！”

申请太空暗物质探测计划立项的几年间，常进、伍健等科学家还参与了载人航天和探月工程，对神舟系列飞船、嫦娥系列卫星的研发作出重要贡献。

2011年，中科院受国务院委托，组织实施空间科学先导专项，发展中国的科学卫星，暗物质粒子探测卫星被列为其中之一。2011年项目成立之初，团队成员平均年龄不足35岁，来自不同专业不同学校，只有两位成员具有航天工程经验。但“初生牛犊不怕虎”，他们努力学习航天工程的质量、软件管理的规范要求，积极向航天专家请教，在实践中积累经验。

“常老师每次都最早来，周末也会到实验室看看。每次看见他的身影，我们都觉得自己还是不够努力。”胡一鸣是常进的学生，也是载荷结构分系统主任设计师。工作中的常进专注、严谨，生活中的他更像一位家中和蔼的长辈。“他真的一点架子都没有，就想纯粹地搞科研，这种精神也影响了我们很多人。”陈灯意这样描述常进。榜样的力量，潜移默化鼓舞团队中每一个人。

“悟空”号团队无疑是一个年轻的团队，35名成员中博士学位27人、含院士1人，国家杰出青年基金获得者2人，国家优秀青年基金获得者3人，其他各类省部级以上人才计划入选者6人。团队平均年龄34.2岁，35周岁以下占62.8%。

作为这个年轻团队的领头羊，常进注重青年科研人员的培养，根据他们学历层次高、知识面广、思想活跃、接受新知识能力强的特点，利用组织生活、学术活动等多种形式教育引导，在他的影响和帮助下，青年科研人员迅速成长，在科研创新方面均作出显著成绩，成为暗物质粒子探测卫星项目的骨干力量。

赓续“五四”精神

“悟空”号看上去并不大，它的长宽高分别为1.5米、1.5米、1.2米，和一个冰柜差不多。从外表看，“悟空”从顶部到底部主要由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器构成，4种探测器一层层组装，这4个探测器各司其职，又联合执行任务，可高精度地测量入射粒子的种类、方向、能量和电荷。

体积虽小，但整个卫星的探测器有4.2万路电子学读出电路、168路高压电源、接近8万路探测器通道数，其复杂程度，超过我国地面最复杂的加速器实验装置。而要将所有探测器及其电子学安装在一立方米空间内，技术难度超过我国目前所有的上天高能探测设备。

安装完成的卫星整体质量为1.85吨，其中最核心的“悟空”的“眼睛”、即卫星的有效载荷——高能粒子探测器，重达1.4吨。

高能粒子探测器又称BGO量能器，其包含308根纵横交错的晶体，这些特殊晶体每根60厘米长，2.5厘米见方，是我国自主研发的、世界最长的BGO晶体。这些晶体能够测量入射粒子的能量，从而获取宇宙粒子的蛛丝马迹，每秒可以探测数百个宇宙线粒子，真可谓是“火眼金睛”。

每天清晨和傍晚，“悟空”号都会路过中国上空。位于北京密云、新疆喀什、海南三亚的三个数据接收站，每天接收它回传的约16G数据。“悟空”号团队要从日积月累的海量数据中分析出有价值的科学成果。

想要穿越这片数据海洋，并非易事。团队需要轮班对卫星过境时的状态进行监测，同时第一时间对卫星下传数据进行处理和分析，单周工作时间超过100小时成为团队的常态，数据分析软件团队也已进行近万次优化。

在团队成员岳川眼里，看似枯燥的数据分析工作也是一种挑战。“有时也会迷茫和疲惫，但大家一起齐心协力攻克难关的成就感，也很吸引人”，他说。

2017年12月的一天，晚上11点，岳川在观测遥测数据时率先发现遥测数据异常，“悟空”号仿佛突然“失明”。19个小时的争分夺秒，每个成员都各司其职、分工协作，及时找出“病因”——可能是太空中的粒子击中它身上携带的某台计算机，导致计算机自动重启。经过一系列复杂调整指令，信号最终重新连接，“天地大营救”取得成功。

“空间科学项目十分复杂，一个人作用有限，要靠集体才能产生更大的能量。”面对一个以青年为主的团队，常进尤其重视团队的爱国主义教育，他把党团活动引入实验室，始终把传承和发扬“五四”精神，作为塑造团队文化的重要环节。他要求青年科研工作者在国家重大工程中，团结努力，在普通岗位上拼搏奉献。从一开始只有两人有航天工程经验，到如今35人精细高效的运作，“五四”精神早已厚植与团队文化中，形成“团魂”。

常进曾于2004年获得“江苏青年五四奖章”，2019年，团队成员胡一鸣再次获此殊荣。团队于2020年获“江苏青年五四奖章集体”，今年被评为“中国青年五四奖章”集体，默默奉献的青年科学工作者们在平凡的岗位上勇挑重担，书写不平凡的篇章，五四精神在这个年轻的团队中赓续传承。

总有些人的征途是星辰大海。谈及使命和担当，团队成员提及最多的是热爱祖国、勇挑重担、敢于创新、当仁不让。2015年，“悟空”号实现中国天文卫星零的突破；2017年，团队承担的中国首颗太阳卫星获批立项；2021年，团队已开始下一代暗物质卫星关键技术攻关。

“悟空”号团队这群年轻人，对祖国科技事业发展有着美好的期待和憧憬。他们以初心之力，一如既往地探索、维护，继续坚守空间天文阵地，为中国空间天文的持续进步贡献力量。