“悟空”號：火眼金睛探尋暗物質

2024年2月10日，農歷大年初一，在中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文實驗室的數據中心，設備井然有序地運行著，中國科學院院士、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進正在有條不紊地接收、處理由中國科學家研制的暗物質粒子探測衛星“悟空”號（以下簡稱“悟空”號）傳輸回來的科學數據。

“常老師讓當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據中心，一待至少大半天。”中國科學院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）副臺長、“悟空”號地面科學應用系統副總設計師范一中感嘆，“他放不下這顆衛星，放不下暗物質粒子空間探測。”

茫茫宇宙中充滿著大量不為人知的暗物質和暗能量。天文觀測結果顯示，暗物質占宇宙質量的25%、暗能量占宇宙質量的70%，而可以被人類觀測到的物質只占宇宙質量的5%。雖然天文觀測已驗證存在暗物質，但天文學家還沒有找到物理上的直接證據來證明暗物質和暗能量的存在。

“悟空”號于2015年12月17日發射升空，至今在軌運行近9年，遠超當年設計的3年壽命，完成全天區掃描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。科研人員有望由此撥開暗物質的迷霧。

1雖存在但沒被發現

什么是暗物質？范一中打了個比方：“暗物質就是看不見、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的各種物體，但并不會造成任何損害。”

這個比方是有據可依的。早在20世紀30年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基在研究后發（Coma）星系團時，發現星系團中的星系彌散速度非常快，僅靠星系團中的發光物質根本束縛不住速度這么快的天體。由于根據維里定理計算出的星系團總質量，遠大于根據發光度計算出的星系團質量，他推測星系團中存在大量不發光的物質，將其稱之為暗物質。

茲威基提出暗物質的想法后，并沒有立即得到學術界的認可。當時測量星系速度的光譜儀精度還不是很高，學術界認為有可能是系統誤差。

時間來到20世紀70年代，美國女天文學家維拉·魯賓采用當時世界上最先進的光譜儀觀測到相似的結果，測量系統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的旋轉速度。根據萬有引力定律，距離增加，速度下降。但她在實際觀測中發現，距離增加，速度并沒有下降，進而推斷星系里存在大量看不見的暗物質，它們產生的引力將這些物質束縛在星系里。

從那以后，暗物質的概念逐漸得到學術界認可。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。”當年愛因斯坦自認已經了解整個宇宙，但事實上，暗物質和暗能量的具體情況學術界至今都還沒弄清楚。

研究發現，標準模型中所有已知的基本粒子沒有一個與暗物質粒子相匹配，學術界至今尚未通過電磁波直接觀測到暗物質。暗物質探測成為長久以來粒子物理和宇宙學的核心問題之一。

“如果能揭開暗物質粒子的神秘面紗，就能突破現有的標準物理學模型，使基礎物理學領域產生革命性突破，這也是暗物質研究為什么這么熱的原因。”范一中告訴《中國科學報》。

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。常進也是在那一年加入紫金山天文臺的。

隨后，中國科學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。

作為當年的項目成員之一，常進回憶：“我們是第一次做航天項目，主要跟著國外學。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，就可能在短時間內趕上國際前沿，取得讓世界矚目的成果。”

說干就干，他帶領團隊在實驗室里“鼓搗”了整整3年，積累了一些經驗，但他認為還談不上有所突破。

1998年，常進前往德國馬克斯·普朗克太陽系研究所進修，參與了所有能參與的高能電子和伽馬射線相關討論。這一年，他在高能電子和伽馬射線領域的研究迎來突破，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。此前的傳統觀念是，要達到觀測到高能電子和伽馬射線這個目標，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？常進了解到，美國宇航局將在南極開展一個先進薄電離量能器（ATIC）實驗項目，用高空科學氣球攜帶高能粒子探測器觀測宇宙線。他意識到機會來了。他給美國科學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，美國科學家認為這是一個瘋狂的想法，根本不可能實現。

于是，常進從德國飛到美國，嘗試說服對方。“剛到實驗室，他們就要求我用計算機算出探測器的參數。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，再一一進行核對。”

常進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會。他的計算結果跟美方的參數基本一致，讓美國科學家認可了他的新方法，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，常進還取得了一個意外收獲——美國科學家同意將南極氣球實驗數據交由他來分析。

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。常進利用探測器采集到的數據，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，常進在分析其探測數據的過程中，發現一個奇異的現象：“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現不是儀器的問題，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。”

3暗物質研究迎來曙光

然而，ATIC并不完全適合研究暗物質。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，證明暗物質存在不能依靠單個測量事例，而是要通過大數據分析避免統計漲落，從而證明一種具有完全不同性質的新物質存在于宇宙中。

“要實現這些目標，最好的工具就是衛星。”常進說，“衛星不同波段的探測數據，可以呈現不同的物理構成，讓我們看到沒有看到過的新東西。”

從2002年開始，常進產生了一個想法：做一顆中國自己的衛星，到天上觀測高能電子和伽馬射線。他開始設計太空暗物質探測方案，嘗試申請相關項目。其間，他還參與了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號探月工程，并在中國科學院支持下，帶領團隊研制了一顆很小的暗物質粒子探測衛星，搭載在實踐衛星上開展觀測。

與此同時，常進通過ATIC項目取得了重要發現——宇宙射線正負電子在高能段超出天體物理背景模型。2008年11月，相關成果在《自然》發表，被美國物理學會和歐洲物理學會評選為當年物理學領域重大研究進展，該觀測如果被證實，有可能是人類第一次發現暗物質粒子湮滅的信號。“湮滅意味著可觀察，可觀察意味著可找到，這使暗物質研究迎來曙光。”常進說。

2011年1月，中國科學院戰略性先導科技專項“空間科學”正式立項，常進團隊提出的暗物質粒子探測衛星順利入圍。

衛星立項后，包括常進、范一中在內，團隊一共只有5個人。“我是在2010年加入暗物質研究團隊的，在此之前主要研究伽馬射線暴。相比完全陌生的暗物質，伽馬射線暴是一個非常高產的研究領域。如果接受暗物質團隊拋來的‘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，最終成長為團隊的“大管家”。

該項目充分發揮中國科學院體系化、建制化優勢，并面向院外開展了廣泛、深入的合作。參與項目合作的科學家、工程師，分別來自中國科學技術大學、中國科學院高能物理研究所、中國科學院近代物理研究所、中國科學院國家空間科學中心、中國科學院微小衛星創新研究院、意大利核物理研究所、瑞士日內瓦大學等。

“4年造一顆衛星，時間緊、任務重，但我們還是完成了。”范一中說，“常老師前期已經在技術領域積淀了10多年，真是從一窮二白干到現在。有這么好的基礎，我們沒理由‘掉鏈子’。”

4這是一顆“滿分”衛星

2015年12月17日，暗物質粒子探測衛星在酒泉發射升空，英文簡稱DAMPE，中文名“悟空”。

為什么取名“悟空”？范一中解釋：“衛星上天前，我們在網上發起征名，這是收集公眾推薦后，經過專家評委投票，報中國科學院批準的。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’，識別暗物質的蹤影。”

據了解，“悟空”號長1.5米、寬1.5米、高1.2米，整體質量1.85噸，有效載荷質量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粒子。

關于衛星的質量還有一段故事。此前曾有科學家預測，暗物質粒子探測衛星探測器有近8萬路探測信號通道，衛星有效載荷不能低于1.2噸。但衛星越大，制作和發射成本也越高。

這給承擔衛星平臺研制任務的中國科學院微小衛星創新研究院研究團隊帶來了重大考驗。他們必須通過控制質量來控制成本，從而確保這顆科研衛星如期問世。

“悟空”號總設計師、中國科學院微小衛星創新研究院研究員李華旺帶領團隊，為這顆衛星“量體裁衣”，努力使衛星有效載荷和整星重量比達到罕見的75％，有效節約數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探測衛星，費用大概只有國際空間站上同樣用于探測暗物質、反物質等宇宙中奇異物質的阿爾法磁譜儀的二十分之一。”

“悟空”號發射前3個月需要開展測試標定工作，專家組經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，所有參數跟剛上天時一樣，還是滿分狀態”。

然而，這顆“滿分”衛星也有出錯的時候。

“悟空”號每天要向地面下傳約16GB的原始科學數據。一天，剛滿兩周歲的“悟空”號傳輸的數據量突然銳減，用來尋找暗物質的“火眼金睛”近乎失明。

這可把研究團隊急壞了，他們立即加班商量對策。范一中首先挑明：“如果關機，我們每天都要損失500萬個觀測事例，一定要盡快找到‘病因’。”

他們立即對載荷工程參數進行會診，判斷“病因”很可能是衛星上某臺計算機被太空中的粒子擊中了，基于這個判斷，提出了調整指令的申請。

負責“悟空”號控制平臺的中國科學院國家空間科學中心和西安衛星測控站聯合行動，將重新啟動計算機的信號發到衛星上。經過一場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”號發射前夕加入研究團隊的，主要從事衛星的科學數據分析和相關宇宙線物理研究，擔任衛星國際合作組宇宙線分析小組的中方負責人。

如今的團隊已經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展與收獲。

研究團隊于2017年11月發布首批科學成果，獲得世界上迄今最精確的高能電子宇宙線能譜；于2019年9月發布第二批科學成果，獲得1萬億～100萬億電子伏特能區精確的質子宇宙線能譜，并發現新的譜結構；于2021年5月發布第三批科學成果，繪出迄今最精確的高能氦原子核宇宙線能譜，并觀察到能譜新結構，預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。在繼續保障衛星平穩運行的同時，研究團隊正在開展下一代暗物質探測項目“甚大面積伽馬射線空間望遠鏡（VLAST）”的關鍵技術攻關。

年輕的岳川希望，在實驗室載荷及科學團隊的共同努力下，這臺空間望遠鏡的探測能力比“悟空”號提升50倍以上，進一步幫助人類追蹤暗物質的具體蹤跡，加深人類對宇宙天體的理解。