“鴻蒙初辟本無性，打破頑冥須悟空?！泵ＣＬ煊铋g，中國的“悟空”時(shí)刻瞪大“火眼金睛”，捕捉來自神秘太空的“妖”粒子，以期找到據(jù)信“大隱于市”的暗物質(zhì)，揭開鴻蒙初辟時(shí)的萬古洪荒之謎。

揭開這個(gè)萬古洪荒之謎是全人類夢寐以求的事業(yè)，世界上最優(yōu)秀的科學(xué)家持之以恒、不懈努力才有破解的希望。作為中國科學(xué)家智慧和汗水的結(jié)晶，已在軌運(yùn)行1年有余的悟空號(hào)表現(xiàn)如何？它攜帶的先進(jìn)裝備運(yùn)行狀況怎樣？有沒有捕捉到關(guān)于暗物質(zhì)的任何蛛絲馬跡？

2015年12月17日，“悟空”發(fā)射全過程

身體好、業(yè)績好

雙優(yōu)生一年收獲豐

作為中國第一顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，悟空號(hào)的核心部件雖然完成了相關(guān)國際水平的測試和實(shí)驗(yàn)，但是它適應(yīng)太空環(huán)境的能力有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。同時(shí)，在九天之上運(yùn)行，時(shí)刻受宇宙射線和太陽耀斑等威脅之下，其在軌運(yùn)行一年多來保持良好的“身體”狀況，才是“硬道理”。

令人欣喜的是，前不久在南京舉行的“悟空”升空一周年學(xué)術(shù)年會(huì)上，所有參會(huì)的中外暗物質(zhì)研究專家都給“悟空”的表現(xiàn)打了滿分100分。經(jīng)過詳細(xì)“體檢”，“悟空”4個(gè)有效載荷中有3個(gè)即塑料閃爍體、BGO（鍺酸鉍晶體）量能器、中子探測器100%正常工作，硅徑跡探測器正常工作率達(dá)到99.85%，大幅度優(yōu)于原定的97.5%的指標(biāo)。

在工作業(yè)績方面，勤勉敬業(yè)的“悟空”更是贏得了另一個(gè)滿分。發(fā)射成功不到3天，“悟空”的首軌X頻段下行數(shù)據(jù)就被順利接收、記錄，并傳輸至中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，標(biāo)志著其與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸鏈路正式開通。之后圓滿完成3個(gè)月在軌測試任務(wù)，順利交付。運(yùn)行一周年后，根據(jù)嚴(yán)格評(píng)估，“悟空”在粒子的電荷測量、能量測量、方向測量、粒子鑒別等方面都取得了重要進(jìn)展，全面實(shí)現(xiàn)或超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成全天區(qū)覆蓋兩次，共探測了18億個(gè)粒子，這些粒子中，5GEV到10TEV區(qū)間的高能電子數(shù)量已達(dá)到100萬個(gè)。它們可能來自于暗物質(zhì)湮滅。“悟空”還發(fā)現(xiàn)了有些粒子表現(xiàn)出一些現(xiàn)有基本的物理知識(shí)“解釋不了”的奇怪現(xiàn)象，這些很可能包含暗物質(zhì)的信號(hào)。此外，“悟空”還有兩個(gè)可圈可點(diǎn)的表現(xiàn)，一是完成了一張全天伽馬射線圖，二是成功探測到黑洞CTA 102伽馬射線爆發(fā)，并被紫金山天文臺(tái)1米近地天體巡天望遠(yuǎn)鏡記錄所印證。

裝備精、顯神通

創(chuàng)造3項(xiàng)世界之最

紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)興奮地表示，“悟空”的表現(xiàn)超出預(yù)期，正在打開物理新窗口的道路上穩(wěn)步前進(jìn)！ 日內(nèi)瓦大學(xué)教授吳欣也對“悟空”的表現(xiàn)給予高度評(píng)價(jià)，并認(rèn)為它將大幅超期“服役”。他說， 7萬多路探測粒子信道目前工作正常，備用的器件都沒有用上，設(shè)計(jì)壽命3年，期望運(yùn)行5到10年。同時(shí)，收集到目標(biāo)粒子越來越多，繪制的能譜越來越穩(wěn)定，有望早日取得突破性發(fā)現(xiàn)。

與國際同類探測設(shè)備如阿爾法磁譜儀相比，“悟空”表現(xiàn)大幅占優(yōu)，它擁有3個(gè)“世界之最”的先天優(yōu)勢：最高的能量分辨本領(lǐng)、最寬的觀測能段、最強(qiáng)的高能粒子鑒別本領(lǐng)。優(yōu)秀的表現(xiàn)得益于精良的武器裝備。“悟空”擁有很多中國獨(dú)有的技術(shù)。比如探測器最核心的組成部分BGO量能器，在“悟空”之前，該設(shè)備所用的晶體，全世界最長的只有30厘米，而“悟空”BGO量能器的晶體長度達(dá)到60厘米，這是中科院上海硅酸鹽所出品的正宗國產(chǎn)貨。BGO量能器的性能經(jīng)過歐洲核子中心嚴(yán)格的束流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)檢測。該實(shí)驗(yàn)是利用高能粒子測試探測器探測性能，以確認(rèn)各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，并為后續(xù)衛(wèi)星在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供標(biāo)定依據(jù)。在方案和初樣研制階段中，BGO量能器分系統(tǒng)分別于2012年和2014年在歐洲核子中心成功完成兩次束流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，利用高能電子束流等驗(yàn)證了量能器探測器、電子學(xué)、在線控制裝置和相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件等組件功能正常，能量分辨率、能量線性等重要指標(biāo)合格。經(jīng)過千錘百煉，“悟空”的BGO量能器數(shù)據(jù)讀出的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到同類型探測器中最大，同時(shí)，“悟空”既能測量粒子能量、又能區(qū)分粒子的種類。

中國智、耀環(huán)宇

九天上捕捉暗物質(zhì)

暗物質(zhì)被科學(xué)家比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”，它涉及宇宙產(chǎn)生和演化的基本問題，對幫助人類認(rèn)識(shí)世界有重要意義。以暗物質(zhì)粒子探測為己任的“悟空”無疑是中國科學(xué)家為推進(jìn)人類認(rèn)識(shí)世界的一件利器，在經(jīng)過一年多成功運(yùn)行之后，它將在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高探測效率，更好完成自己的使命。根據(jù)計(jì)劃，“悟空”在最初兩年進(jìn)行全天掃描，接受來自宇宙四面八方的高能電子及高能伽馬射線，之后將根椐全天區(qū)探測的分析結(jié)果，對暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)城開展定向觀測。

就在“悟空”在九天之上用火眼金睛掃描太空的同時(shí)，在中國四川雅礱江錦屏山垂直巖石2400米的地下，另一個(gè)以暗物質(zhì)探測為主要目標(biāo)之一的“熊貓計(jì)劃”也在緊張實(shí)施中?！吧咸烊氲亍保拔蚩铡?“熊貓”，這就是中國科學(xué)家揭開暗物質(zhì)之謎的干勁兒。作為前沿科學(xué)課題，暗物質(zhì)探測當(dāng)然也是世界最頂尖的科學(xué)家們競逐的領(lǐng)域。美國、意大利、日本等國家都發(fā)射或放置過探測暗物質(zhì)的儀器，而諾貝爾獎(jiǎng)得主丁肇中領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)通過在放置在國際空間站上的阿爾法磁譜儀來探測暗物質(zhì)無疑是最知名的。

“目前，世界上有數(shù)十家實(shí)驗(yàn)探測暗物質(zhì)粒子。隨著靈敏度逐漸提升，暗物質(zhì)粒子的剩余參數(shù)空間越來越小，人類或許很快就將揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。”常進(jìn)在一篇文章中對前景作出樂觀的判斷，并對“悟空”的優(yōu)秀表現(xiàn)表達(dá)了充分的信心。而“熊貓計(jì)劃”負(fù)責(zé)人季向東教授對中國科學(xué)家在暗物質(zhì)探測突破中起到的作用充滿期待，他說，現(xiàn)代科學(xué)史上很少有中國人的名字，教科書中大多是牛頓、愛因斯坦等西方人。在暗物質(zhì)領(lǐng)域，我們希望，將來的教科書中會(huì)出現(xiàn)中國人的名字。現(xiàn)在機(jī)會(huì)就在我們眼前，不能再錯(cuò)過。

2016年12月29日，“悟空”觀測到黑洞CTA 102爆發(fā)

大隱于市的暗物質(zhì)

從上世紀(jì)30年代起，天文學(xué)家就從觀測中陸續(xù)找到了一些證據(jù)，暗示宇宙中物質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所有可見物質(zhì)的總和。比如，他們發(fā)現(xiàn)銀河系里千千萬萬顆恒星的運(yùn)動(dòng)速度大于預(yù)期，如果沒有更多的東西施加額外的引力，銀河系本身就會(huì)被甩得分崩離析，根本不能凝聚成形。再比如，星系團(tuán)之類的龐大天體能夠彎曲星光，扭曲并放大背后更遙遠(yuǎn)星系的影像，通過這種引力透鏡效應(yīng)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其中發(fā)光物質(zhì)的總和。于是，天文學(xué)家假設(shè)宇宙中存在一類看不見的物質(zhì)，稱它們?yōu)榘滴镔|(zhì)。結(jié)合現(xiàn)有的天文觀測證據(jù)，天文學(xué)家普遍相信，宇宙中暗物質(zhì)的質(zhì)量大約是普通物質(zhì)的5.5倍。

主流理論認(rèn)為，暗物質(zhì)可能由一大類粒子構(gòu)成，它們被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。不同于構(gòu)成我們身體及周邊所有物品的基本粒子，這些暗物質(zhì)粒子本身質(zhì)量較大，卻不參與任何電磁相互作用。不要小瞧這一“絕技”。歸根到底，我們看得見、摸得著、嘗得出、聞得到、聽得清身邊的其他東西，都是電磁相互作用在其中貢獻(xiàn)力量的結(jié)果。所以，完全不參與電磁相互作用的WIMP粒子，就相當(dāng)于是粒子世界中本領(lǐng)高超的隱身胖子，既看不見，也摸不著，更不要說用其他感觀去感受它了。

探測暗物質(zhì)粒子的三種方法

主動(dòng)創(chuàng)造法。

能量和質(zhì)量在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換。如果把足夠高的能量濃縮在極小的空間體積之內(nèi)，這些能量就會(huì)轉(zhuǎn)化為各式各樣的粒子四散奔逃，被科學(xué)家設(shè)置在周邊的各類探測器記錄下來。如能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子。這場粒子碰撞中就會(huì)有很大一部分能量不翼而飛。如果發(fā)生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質(zhì)粒子的存在提供直接證據(jù)。

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守株待兔法。

暗物質(zhì)粒子會(huì)參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內(nèi)部發(fā)揮作用。因此，盡管暗物質(zhì)粒子是隱身的，并不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個(gè)“樹樁”。被暗物質(zhì)粒子撞上的原子核會(huì)發(fā)光發(fā)熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動(dòng)是科學(xué)家有可能探測到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質(zhì)粒子撞上去的幾率低到幾乎可以忽略?？茖W(xué)家在巨大的探測器里裝上大量反應(yīng)物質(zhì)，等待過路的暗物質(zhì)粒子碰巧撞上其中某個(gè)原子核。當(dāng)然，為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產(chǎn)生的干擾，科學(xué)家往往把這樣的暗物質(zhì)探測器深埋在地下，讓厚厚的巖層把不會(huì)隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。

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九天探測法。

有理論預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)暗物質(zhì)粒子相遇時(shí)，它們會(huì)相互湮滅，產(chǎn)生出高能的伽馬射線，或者產(chǎn)生出高能的正反粒子對。不論是伽馬射線，還是普通的反物質(zhì)粒子，都是可以直接探測到的。如果科學(xué)家在暗物質(zhì)集中的地方探測到了過量的伽馬射線，或者在宇宙中探測到了來源不明的高能反物質(zhì)粒子，它們就有可能來源于反物質(zhì)粒子的湮滅，從而給反物質(zhì)的存在提供間接的證據(jù)。不過，由于這些信號(hào)無法很好地穿透地球大氣層，用這種方法來間接尋找暗物質(zhì)的探測器，必須被發(fā)射到地球以外才能夠發(fā)揮作用?！拔蚩铡辈捎玫谋闶沁@第三種辦法，到太空中探測高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)，并推斷出它們的某些性質(zhì)。