捕捉太空暗物质的“悟空”
“悟空”探测暗物质
2015年12月17日清晨，在中国西北荒漠的寒冬，长征二号丁运载火箭将一颗被称作“悟空”的卫星送往被黑暗主宰的宇宙，寻找神秘莫测，幽灵一般的暗物质，回答现代物理学界最长时间没有找到答案的深奥之谜。
中国为何要发射暗物质卫星？
“悟空”是中国科学院研制的系列科学实验卫星的第一颗，属于基础科学领域。除了探索暗物质，它还要用于研究宇宙射线等。这标志着始于半个多世纪前的中国太空探索，不仅仅是在满足工程应用和人类生存，取得直接的国防经济效益，还要深入解答有关宇宙命运的谜题。
“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨高能空间望远镜，”暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说，“它有望深刻地变革人类的宇宙观，实现空间科学重大突破。 ”
常进介绍，“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，通过其能谱、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。宇宙射线最高能量比目前的最大加速器高一亿倍以上，宇宙空间是人类最后的实验室。暗物质卫星有望深刻变革人类的宇宙观，实现空间科学重大突破。
空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季介绍，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。但如果这个下降的能谱发生变化，那一定是有新的事件发生。
常进曾经与美国合作，在长期停留南极大气层上空的气球上做实验。探测器观测到在高能谱段有一些奇怪的现象发生，科学家推测有可能就是暗物质碰撞产生了明物质，分布在非常高的谱段。要想观测得更清楚，就必须发射卫星。
暗物质粒子探测卫星的另一个科学任务是观测宇宙射线在不同方向的分布情况，比如在银河系中心，宇宙射线多一些，而边缘就少一些。
暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健说，以前中国几乎没有真正的科学卫星，科学家要进行相关研究，只能用国外数据。而这枚探测卫星由中科院承担研制和生产工作，它通过高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和伽马射线寻找和研究暗物质粒子。在寻找暗物质的国际竞争中，它并不逊色，其探测能段能达到10TeV。
中科院微小卫星创新研究院的设计师们组成了（DAMPE）字形祝福“悟空”卫星成功发射。吉彦超 摄
卫星合侧板后，安装太阳帆板。金其海 摄
目前在空间科学领域，中国还只是知识的使用国。中国要想实现创新驱动发展，必须要有创新的能力。吴季说，“我们不能只是学习别人，这样只能是跟在别人后面走。现在我们在一些领域开始有创新了。基础科学知识，包括空间科学知识，也要有创新，没有创新就不可能引领，只有引领才能开创我们自己的方向和视野。空间科学领域的创新也是我国创新驱动发展不可或缺的一部分。”
暗物质卫星工程总设计师艾长春（左一）和常进（左三）、任吴季（右一）等在空间科学任务大厅讨论。金立旺 摄
卫星太阳电池帆板光照试验。吉彦超 摄
“悟空”名字的由来
为了给暗物质粒子探测卫星起一个响亮的名字，中国科学院国家空间科学中心、紫金山天文台与人民网科技频道于2015年9月29日至10月31日举办了暗物质粒子探测卫星征名活动。活动期间共收到名称方案32517个。最后经评委投票，将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”。
“悟空”是中国名著《西游记》中的齐天大圣，它火眼金睛，神通广大，在中国文化中是机智与勇敢的化身。给暗物质粒子探测卫星起名“悟空”喻示着卫星将凭借卓越的空间探测能力在太空中大显身手、寻找暗物质；另一方面，“悟”有领悟的意思，“悟空”有领悟、探索太空之意；“悟空”机智、勇敢、敏锐的形象与暗物质粒子探测卫星的科学目标及科学使命高度契合。
“悟空”的形象在中国家喻户晓，也被国际社会广为喜爱，被国际友人亲切地誉为“Monkey King”。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，如阿波罗号（美国）、尤利西斯号（欧洲）、玉兔号（中国）。“悟空”使社会公众和科学家们共同感悟空间科学之美，使得暗物质探测这一世界性的重大科学前沿难题成为国内外公众关注的焦点。
暗物质卫星示意图。中科院国家空间科学中心提供
“悟空”探太空（新华社记者贺萌绘图）
“悟空”与它的“火眼金睛”
“悟空”的身材比一般的卫星小巧，长宽高分别只有1.5米、1.5米、1.2米，像盒银白色的方形蛋糕。而它的“火眼金睛”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。
常进介绍，中国暗物质卫星的观测能段是国际空间站“阿尔法磁谱仪”的10倍，能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。
“悟空”将面朝太空，接受来自宇宙四面八方的高能电子和伽马射线。由于暗物质可能存在于任何区域，它头两年将对全天扫描，探测暗物质存在的方位。两年后，根据全天区探测的分析结果，它对暗物质最可能出现的区域开展定向观测。
如果透视“悟空”腹内，可见密密麻麻上万根导线，其复杂程度令人惊叹。常进介绍，由于寻找暗物质需要各方面信息，暗物质卫星包含塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器4个科学载荷，它们各司其职，能测量高能粒子的能量、方向和电荷，并有鉴别粒子的本事。
寻找暗物质的过程就像与幽灵捉迷藏，“天下武功唯快不破，只有仪器越灵敏才越有可能有发现。”常进说。“悟空”就是通过提高能量分辨和空间分辨的本领，降低宇宙射线背景噪音，并且把探测器做得足够大等方法提高灵敏度。
“悟空”没有携带金箍棒，却带了308根“水晶棒”。
暗物质卫星系统副总设计师安琪说，位于卫星核心部位的BGO能量器包含了308根纵横交错排列的晶体，每一根都有2厘米见方、60厘米长，是世界上最长的BGO晶体，研制难度非常高。整个卫星中，BGO能量器的重量就占了一多半。这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量，并区分出质子和电子。
暗物质卫星系统总设计师李华旺透露，卫星采用的是以载荷为中心的一体化结构设计。中国以前的卫星载荷只占总重量的几分之一，但是这颗卫星载荷重量占了绝大部分。
“相当于‘悟空’用轻盈的身躯背负了3.2倍体重的探测仪器。”他说。
暗物质卫星示意图。中科院国家空间科学中心提供
“悟空”已获科学探测数据
“悟空”2015年12月24日睁开了它的“火眼金睛”，正式开始它寻觅宇宙“幽灵”暗物质以及宇宙射线的科学探测工作。
这一寻觅一旦开始便不会停歇，直至它生命的最后一刻。科学家希望那些在宇宙中纷飞了亿万光年时空，又恰好落入“悟空”“眼”中的高能粒子，能告诉人类宇宙中隐藏的巨大秘密。
经卫星平台测试、有效载荷管理器加电测试、科学探测器高压加电测试后，“悟空”的第一批科学数据2015年12月24日下传至位于北京郊区怀柔的中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅。
李华旺说，接收到的数据显示，暗物质卫星的四大科学载荷探测到的高能电子和伽马射线计数与地面预测计数率一致，表明暗物质卫星的有效载荷已开始正常工作。
常进说：“目前卫星所有的表现都很好，与预期一致，指向精度、稳定度等几个重要指标比设计指标高多倍。” 他说，“悟空”每秒大约会接收100颗左右的高能粒子。这其中，高能电子与伽马射线是科学家重点要寻找的，因为它们有可能就是暗物质湮灭或衰变产生的，又比较容易从其他天体产生的“噪音”中区分出来。
科学家将对卫星数据展开分析研究，首批科学成果有望在6个月至一年后发布。
为“悟空”调制精准的“尺子”
常进说，“悟空”升空约一个月后，卫星已经采集了一亿多个高能粒子。目前卫星科学应用系统团队正加紧开展标定工作，他将标定比喻成打造一把精确的尺子。“悟空”每天收集包含质子、电子、阿尔法粒子、宇宙射线核素、伽马射线等在内的四五百万个高能粒子。“如果探测器标定的好，科学家需要的信号自然就会从数据中冒出来。”
“现在载荷看起来很完美，但是这还不够。探测器包含76000个小探测器，每一个究竟情况怎么样，需要去标定它，每一个刻度都要准确。这是很细致的工作，急不得。如果有小毛病，一定要及早挑出。否则，一年后数据量非常大，这些数据全部处理一遍，可能需要几个星期，甚至更长时间。”常进说。
暗物质卫星高级数据产品处理分系统主任设计师藏京京说，卫星数据分析使用的高性能计算平台包含128个CPU，每个CPU有10个核。其处理半个月的数据，如果用普通电脑则需几十年。
“科学家要做的事情就是为探测器做精细的刻度，给出误差尽可能小的计算结果。通过标定，把探测器设置成最佳状态，知道它的最佳运行模式。标定好，就可以收集更多有效数据，排除‘噪音’。比如现在花一个多月来做标定，以后可以节省一倍乃至数倍的时间获得有效数据。”藏京京说。
暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健说，即便现在“尺子”已非常精准，后面也还要不断标定，因为探测器在太空中经过宇宙线不断轰击后，性能会发生变化。“像美国费米卫星的软件已经做到第八个版本了，我们现在还在做第一个版本。”
专家介绍，目前“悟空”每天传回约20G数据，很快将生成庞大的科学数据。随着数据量的增加，还需要具有更强的计算和存储能力，提高数据访问速度。
暗物质卫星的探测器像一个复杂而昂贵的四层蛋糕（贺萌绘图）
科学家期待暗物质卫星取得重要科学成果（贺萌绘图）
2015年12月17日暗物质卫星在酒泉卫星发射中心升空。喻菲 摄
相关链接 什么是暗物质
暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一，目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。美国国家研究委员会由19名权威物理学家和天文学家联合执笔的一份报告中列出了新世纪要解答的11个科学问题：“什么是暗物质”列在第一位。报告同时建议美国政府研究机构加强协调、集中资源为这些难题寻找答案。国际上许多进行精确宇宙学研究和探测暗物质、暗能量的地面和空间的实验正在计划和筹建中。
李政道先生认为，对暗物质的研究将预示着物理学的又一次革命。科学家相信，通过探索“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来，人类最终一定能够了解宇宙的起源。
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。建立新的物理学以代替广义相对论，从而驱散笼罩在物理学“天空”的暗物质和暗能量这两朵“乌云”，同样也会引起物理学的又一次革命。中国科学院院士武向平说，“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。”
宇宙的构成 （贺萌绘图）
相关链接 刘延东：牢固树立创新发展理念
1月12日，中共中央政治局委员、国务院副总理刘延东到北京中科院国家空间科学中心，考察了暗物质粒子探测卫星工程实施情况，看望科技工作者并进行座谈交流。
刘延东指出，空间科学具有很强的战略性和前沿性，国际科学界和社会各界对此都非常关注。我国刚刚发射的暗物质卫星在探测能力和功能性能方面都处于国际领先地位，对此我感到非常自豪。从目前卫星的运行情况看，这颗卫星计划确实取得了非常重要的进展，也标志着我国空间科学事业进入了一个崭新的发展阶段。习近平总书记在2016年新年贺词中特别提到中国科学家研制的暗物质探测卫星发射升空，对大家的工作给予了充分的肯定。
刘延东强调，创新是引领发展的第一动力，谋创新就是谋发展，抓创新就是抓未来，要把创新贯穿到各项工作中去，以科技创新推动全面创新。中科院在今年还要陆续发射三颗科学卫星，在空间探索方面，这些都是很有前瞻性和战略性的计划。
刘延东指出，要认真研究如何促进科技成果转移和推广应用的问题。空间科学对于经济社会发展具有重要推动作用，例如对石油勘探、生命科学、物理学领域的重要作用，黑洞、类地行星探测等等都是非常具有前瞻性的战略性工作。要开拓思路，创新方式，使空间科学卫星计划中形成的关键核心技术发挥“溢出效应”，在经济社会发展中发挥更大的作用。同时，要将卫星的科学数据开放共享，为我国空间开发利用提供更好的支撑。