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2015年“悟空”號國際合作組會議合影。彭曉艷/攝“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星效果圖。紫金山天文臺供圖2023年12月9日，“悟空”號數(shù)據(jù)分析小組開會討論。范一中/攝第四次ATIC南極氣球?qū)嶒灛F(xiàn)場照片。胡一鳴/攝2024年2月10日，農(nóng)歷大年初一，在中國科學(xué)院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文實驗室的數(shù)據(jù)中心，設(shè)備井然有序地運行著，中國科學(xué)院院士、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)正在有條不紊地接收、處理由中國科學(xué)家研制的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號（以下簡稱“悟空”號）傳輸回來的科學(xué)數(shù)據(jù)?！俺＠蠋熥尞?dāng)天的值班人員回家過年了，自己來值班，這是我們后來才知道的。實際上，每次他一有空就會來數(shù)據(jù)中心，一待至少大半天。”中國科學(xué)院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）副臺長、“悟空”號地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師范一中感嘆，“他放不下這顆衛(wèi)星，放不下暗物質(zhì)粒子空間探測。”茫茫宇宙中充滿著大量不為人知的暗物質(zhì)和暗能量。天文觀測結(jié)果顯示，暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的25%、暗能量占宇宙質(zhì)量的70%，而可以被人類觀測到的物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。雖然天文觀測已驗證存在暗物質(zhì)，但天文學(xué)家還沒有找到物理上的直接證據(jù)來證明暗物質(zhì)和暗能量的存在?！拔蚩铡碧栍?015年12月17日發(fā)射升空，至今在軌運行近9年，遠(yuǎn)超當(dāng)年設(shè)計的3年壽命，完成全天區(qū)掃描16次，并如齊天大圣一般用它的“火眼金睛”探測到了超150億個空間高能粒子?？蒲腥藛T有望由此撥開暗物質(zhì)的迷霧。1?雖存在但沒被發(fā)現(xiàn)什么是暗物質(zhì)？范一中打了個比方：“暗物質(zhì)就是看不見、摸不著的微小高速粒子，它們會從四面八方像子彈一般穿透包括人體在內(nèi)的各種物體，但并不會造成任何損害?！边@個比方是有據(jù)可依的。早在20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基在研究后發(fā)（Coma）星系團(tuán)時，發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中的星系彌散速度非?？?，僅靠星系團(tuán)中的發(fā)光物質(zhì)根本束縛不住速度這么快的天體。由于根據(jù)維里定理計算出的星系團(tuán)總質(zhì)量，遠(yuǎn)大于根據(jù)發(fā)光度計算出的星系團(tuán)質(zhì)量，他推測星系團(tuán)中存在大量不發(fā)光的物質(zhì)，將其稱之為暗物質(zhì)。茲威基提出暗物質(zhì)的想法后，并沒有立即得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。當(dāng)時測量星系速度的光譜儀精度還不是很高，學(xué)術(shù)界認(rèn)為有可能是系統(tǒng)誤差。時間來到20世紀(jì)70年代，美國女天文學(xué)家維拉·魯賓采用當(dāng)時世界上最先進(jìn)的光譜儀觀測到相似的結(jié)果，測量系統(tǒng)誤差的說法也就站不住腳了。魯賓觀測的是星系里恒星和其他星際物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)萬有引力定律，距離增加，速度下降。但她在實際觀測中發(fā)現(xiàn)，距離增加，速度并沒有下降，進(jìn)而推斷星系里存在大量看不見的暗物質(zhì)，它們產(chǎn)生的引力將這些物質(zhì)束縛在星系里。從那以后，暗物質(zhì)的概念逐漸得到學(xué)術(shù)界認(rèn)可。這一概念印證了愛因斯坦完成廣義相對論后說過的一句話：“宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的?！碑?dāng)年愛因斯坦自認(rèn)已經(jīng)了解整個宇宙，但事實上，暗物質(zhì)和暗能量的具體情況學(xué)術(shù)界至今都還沒弄清楚。研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型中所有已知的基本粒子沒有一個與暗物質(zhì)粒子相匹配，學(xué)術(shù)界至今尚未通過電磁波直接觀測到暗物質(zhì)。暗物質(zhì)探測成為長久以來粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一。“如果能揭開暗物質(zhì)粒子的神秘面紗，就能突破現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)模型，使基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性突破，這也是暗物質(zhì)研究為什么這么熱的原因?！狈兑恢懈嬖V《中國科學(xué)報》。2?這是一個瘋狂的想法我國的航天科技從1992年開始加大投入，并啟動實施中國載人航天工程。常進(jìn)也是在那一年加入紫金山天文臺的。隨后，中國科學(xué)院高能物理研究所和紫金山天文臺合作自主研制“太陽和宇宙天體高能輻射監(jiān)測儀”，包括超軟X射線、X射線和γ射線3種探測器。這是我國第一個空間天文探測項目。其中，X射線探測器安裝于神舟二號留軌艙，用于開展伽馬射線暴和太陽X射線耀斑觀測，成功獲得大量太陽耀斑，也為后來的空間天文探測項目打下了堅實基礎(chǔ)。作為當(dāng)年的項目成員之一，常進(jìn)回憶：“我們是第一次做航天項目，主要跟著國外學(xué)。人家起步早，我們要追趕難度很大。我也是從這個項目開始思考，有沒有可能開辟一條屬于自己國家的新道路？”從1995年開始，常進(jìn)將研究方向確定為高能電子和高能伽馬射線的觀測方法。他說：“國際上這個領(lǐng)域的研究剛剛起步，我們通過努力取得突破，就可能在短時間內(nèi)趕上國際前沿，取得讓世界矚目的成果?！闭f干就干，他帶領(lǐng)團(tuán)隊在實驗室里“鼓搗”了整整3年，積累了一些經(jīng)驗，但他認(rèn)為還談不上有所突破。1998年，常進(jìn)前往德國馬克斯·普朗克太陽系研究所進(jìn)修，參與了所有能參與的高能電子和伽馬射線相關(guān)討論。這一年，他在高能電子和伽馬射線領(lǐng)域的研究迎來突破，他提出了一種新的觀測方法，采用既便宜又輕薄的探測器就能觀測到高能電子和伽馬射線。此前的傳統(tǒng)觀念是，要達(dá)到觀測到高能電子和伽馬射線這個目標(biāo)，必須使用昂貴、厚重的探測器。怎樣才能驗證自己提出的新方法呢？常進(jìn)了解到，美國宇航局將在南極開展一個先進(jìn)薄電離量能器（ATIC）實驗項目，用高空科學(xué)氣球攜帶高能粒子探測器觀測宇宙線。他意識到機(jī)會來了。他給美國科學(xué)家寫信介紹自己的方法，并表示可以在不改動ATIC硬件的情況下，觀測高能電子和伽馬射線。但是，美國科學(xué)家認(rèn)為這是一個瘋狂的想法，根本不可能實現(xiàn)。于是，常進(jìn)從德國飛到美國，嘗試說服對方?！皠偟綄嶒炇遥麄兙鸵笪矣糜嬎銠C(jī)算出探測器的參數(shù)。我拿著他們的電腦，先將所有想法編成程序，計算出各種參數(shù)，再一 一進(jìn)行核對?！背＿M(jìn)聚精會神地工作了整整36個小時，因為他知道一旦出錯就會錯失這次驗證機(jī)會。他的計算結(jié)果跟美方的參數(shù)基本一致，讓美國科學(xué)家認(rèn)可了他的新方法，并將便宜又輕薄的探測器送到瑞士的加速器上，最后證實新方法完全可行。過程中，常進(jìn)還取得了一個意外收獲——美國科學(xué)家同意將南極氣球?qū)嶒灁?shù)據(jù)交由他來分析。2001年初，約足球場大小的ATIC南極氣球搭載將近兩噸的探測器緩緩上升到37公里的高空。常進(jìn)利用探測器采集到的數(shù)據(jù)，只用兩三天時間就將高能電子、高能伽馬射線全部找了出來。ATIC南極氣球總共飛行4次，常進(jìn)在分析其探測數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)一個奇異的現(xiàn)象：“我們觀察到的高能電子比理論計算要多，最開始以為是儀器出了問題，后來花了一年時間，用各種方法檢查后發(fā)現(xiàn)不是儀器的問題，這些多出來的電子來自哪里呢？這個時候，我們想到了暗物質(zhì)?！??暗物質(zhì)研究迎來曙光然而，ATIC并不完全適合研究暗物質(zhì)。因為氣球每次在高空停留的時間只有20多天，精度也不夠高。與引力波探測不同，證明暗物質(zhì)存在不能依靠單個測量事例，而是要通過大數(shù)據(jù)分析避免統(tǒng)計漲落，從而證明一種具有完全不同性質(zhì)的新物質(zhì)存在于宇宙中。“要實現(xiàn)這些目標(biāo)，最好的工具就是衛(wèi)星。”常進(jìn)說，“衛(wèi)星不同波段的探測數(shù)據(jù)，可以呈現(xiàn)不同的物理構(gòu)成，讓我們看到?jīng)]有看到過的新東西?！睆?002年開始，常進(jìn)產(chǎn)生了一個想法：做一顆中國自己的衛(wèi)星，到天上觀測高能電子和伽馬射線。他開始設(shè)計太空暗物質(zhì)探測方案，嘗試申請相關(guān)項目。其間，他還參與了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號探月工程，并在中國科學(xué)院支持下，帶領(lǐng)團(tuán)隊研制了一顆很小的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，搭載在實踐衛(wèi)星上開展觀測。與此同時，常進(jìn)通過ATIC項目取得了重要發(fā)現(xiàn)——宇宙射線正負(fù)電子在高能段超出天體物理背景模型。2008年11月，相關(guān)成果在《自然》發(fā)表，被美國物理學(xué)會和歐洲物理學(xué)會評選為當(dāng)年物理學(xué)領(lǐng)域重大研究進(jìn)展，該觀測如果被證實，有可能是人類第一次發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子湮滅的信號。“湮滅意味著可觀察，可觀察意味著可找到，這使暗物質(zhì)研究迎來曙光?！背＿M(jìn)說。2011年1月，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“空間科學(xué)”正式立項，常進(jìn)團(tuán)隊提出的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星順利入圍。衛(wèi)星立項后，包括常進(jìn)、范一中在內(nèi)，團(tuán)隊一共只有5個人。“我是在2010年加入暗物質(zhì)研究團(tuán)隊的，在此之前主要研究伽馬射線暴。相比完全陌生的暗物質(zhì)，伽馬射線暴是一個非常高產(chǎn)的研究領(lǐng)域。如果接受暗物質(zhì)團(tuán)隊拋來的‘繡球’，就意味著研究要從零開始。”范一中最后還是決定加入這個項目，最終成長為團(tuán)隊的“大管家”。該項目充分發(fā)揮中國科學(xué)院體系化、建制化優(yōu)勢，并面向院外開展了廣泛、深入的合作。參與項目合作的科學(xué)家、工程師，分別來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院近代物理研究所、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、意大利核物理研究所、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)等?！?年造一顆衛(wèi)星，時間緊、任務(wù)重，但我們還是完成了?！狈兑恢姓f，“常老師前期已經(jīng)在技術(shù)領(lǐng)域積淀了10多年，真是從一窮二白干到現(xiàn)在。有這么好的基礎(chǔ)，我們沒理由‘掉鏈子’。”4?這是一顆“滿分”衛(wèi)星2015年12月17日，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在酒泉發(fā)射升空，英文簡稱DAMPE，中文名“悟空”。為什么取名“悟空”？范一中解釋：“衛(wèi)星上天前，我們在網(wǎng)上發(fā)起征名，這是收集公眾推薦后，經(jīng)過專家評委投票，報中國科學(xué)院批準(zhǔn)的。選擇這個名字，一方面因為它是我國古典名著《西游記》中齊天大圣的名字，從字面看就有探索、領(lǐng)悟太空之意；另一方面，我們希望借它的‘火眼金睛’，識別暗物質(zhì)的蹤影。”據(jù)了解，“悟空”號長1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體質(zhì)量1.85噸，有效載荷質(zhì)量1.4噸，通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小，間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子。關(guān)于衛(wèi)星的質(zhì)量還有一段故事。此前曾有科學(xué)家預(yù)測，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星探測器有近8萬路探測信號通道，衛(wèi)星有效載荷不能低于1.2噸。但衛(wèi)星越大，制作和發(fā)射成本也越高。這給承擔(dān)衛(wèi)星平臺研制任務(wù)的中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊帶來了重大考驗。他們必須通過控制質(zhì)量來控制成本，從而確保這顆科研衛(wèi)星如期問世。“悟空”號總設(shè)計師、中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員李華旺帶領(lǐng)團(tuán)隊，為這顆衛(wèi)星“量體裁衣”，努力使衛(wèi)星有效載荷和整星重量比達(dá)到罕見的75％，有效節(jié)約數(shù)千萬元運載火箭成本。范一中感嘆：“‘悟空’號是成本最低的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星，費用大概只有國際空間站上同樣用于探測暗物質(zhì)、反物質(zhì)等宇宙中奇異物質(zhì)的阿爾法磁譜儀的二十分之一。”“悟空”號發(fā)射前3個月需要開展測試標(biāo)定工作，專家組經(jīng)過測試給它打出滿分。范一中尤其自豪的是，“‘悟空’號的探測器在軌運行多年后，所有參數(shù)跟剛上天時一樣，還是滿分狀態(tài)”。然而，這顆“滿分”衛(wèi)星也有出錯的時候?！拔蚩铡碧柮刻煲虻孛嫦聜骷s16GB的原始科學(xué)數(shù)據(jù)。一天，剛滿兩周歲的“悟空”號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量突然銳減，用來尋找暗物質(zhì)的“火眼金睛”近乎失明。這可把研究團(tuán)隊急壞了，他們立即加班商量對策。范一中首先挑明：“如果關(guān)機(jī)，我們每天都要損失500萬個觀測事例，一定要盡快找到‘病因’?！彼麄兞⒓磳d荷工程參數(shù)進(jìn)行會診，判斷“病因”很可能是衛(wèi)星上某臺計算機(jī)被太空中的粒子擊中了，基于這個判斷，提出了調(diào)整指令的申請。負(fù)責(zé)“悟空”號控制平臺的中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和西安衛(wèi)星測控站聯(lián)合行動，將重新啟動計算機(jī)的信號發(fā)到衛(wèi)星上。經(jīng)過一場19個小時的“天地大營救”，“悟空”號的“火眼金睛”終于重見光明。紫金山天文臺副研究員岳川對這場“營救”記憶深刻。他是2015年“悟空”號發(fā)射前夕加入研究團(tuán)隊的，主要從事衛(wèi)星的科學(xué)數(shù)據(jù)分析和相關(guān)宇宙線物理研究，擔(dān)任衛(wèi)星國際合作組宇宙線分析小組的中方負(fù)責(zé)人。如今的團(tuán)隊已經(jīng)有越來越多像岳川這樣的“80后”“90后”，他們共同見證著項目的發(fā)展與收獲。研究團(tuán)隊于2017年11月發(fā)布首批科學(xué)成果，獲得世界上迄今最精確的高能電子宇宙線能譜；于2019年9月發(fā)布第二批科學(xué)成果，獲得1萬億～100萬億電子伏特能區(qū)精確的質(zhì)子宇宙線能譜，并發(fā)現(xiàn)新的譜結(jié)構(gòu)；于2021年5月發(fā)布第三批科學(xué)成果，繪出迄今最精確的高能氦原子核宇宙線能譜，并觀察到能譜新結(jié)構(gòu)，預(yù)示可能存在一處未知的鄰近宇宙射線加速源……今天，“悟空”號還在延期服役中。在繼續(xù)保障衛(wèi)星平穩(wěn)運行的同時，研究團(tuán)隊正在開展下一代暗物質(zhì)探測項目“甚大面積伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（VLAST）”的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。年輕的岳川希望，在實驗室載荷及科學(xué)團(tuán)隊的共同努力下，這臺空間望遠(yuǎn)鏡的探測能力比“悟空”號提升50倍以上，進(jìn)一步幫助人類追蹤暗物質(zhì)的具體蹤跡，加深人類對宇宙天體的理解。（原載于《中國科學(xué)報》?2024-11-28?第4版?專題）