“悟空”起航遨宇宙

余風

2015年12月17日上午8時12分04秒，內蒙古酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。茫茫戈壁，凜冽寒冬，人們在寒風里中仰望蒼穹。

隨著一聲“點火”命令，發(fā)射臺上噴出一團巨大的白霧，長征二號丁運載火箭吐著長長的火舌騰空而起，將我國自主研制的第一顆天文衛(wèi)星“悟空”送入太空。

在農歷猴年到來前夕，這顆與美猴王同名的衛(wèi)星的發(fā)射，不僅是中國獻給新一年的最佳禮物，同時，它也標志著中國正式加入到空間科學探索大國的行列——“中國航天終于進入了真正的仰望星空的時代，目光所及，直達億萬光年的宇宙深處，所探索的課題，囊括了整個宇宙的過去、現(xiàn)在和未來?！痹诂F(xiàn)場觀看發(fā)射的著名科幻作家、此前憑借小說《三體》捧回世界科幻藝術界最高獎“雨果獎”的劉慈欣如是評價。

“隱身俠”的“穿墻術”

“悟空”全名暗物質粒子探測衛(wèi)星，是中國發(fā)射的第一顆完全用于基礎科學研究的衛(wèi)星，同時也是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測器，其觀測能段是國際空間站阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。

在發(fā)射升空790秒后，“悟空”順利進入距地球500公里的預定轉移軌道。入軌后，它和“粉絲們”分享了自己在太空中的第一條微博：“謝謝所有辛苦工作的人類給我一個漂亮的起點！所有的猜想都會由探索給出答案?！?/p>

“悟空”飛天，是人類在探索宇宙核心秘密進程中邁出的重要一步。此后3年，它將帶著人們的無限期許，去尋找最神秘的“宇宙幽靈”——暗物質。

暗物質是一種困擾了科學家長達一個多世紀的“暗黑”物質，它被萬有引力定律推論存在，是一種比電子和光子還要小的物質，它不發(fā)光、不帶電荷，幾乎不與任何物質發(fā)生碰撞，能輕松穿越電磁波和引力場。

暗物質既看不見、摸不著，至今從未被人們直接觀測到，堪稱是宇宙中本領最強的“隱身俠”。它還有一個“同胞兄弟”暗能量，這兩個“暗黑家族”成員占據(jù)宇宙的絕對多數(shù)——它們約占宇宙總質能的95.1%，而我們看得見的那些星系、恒星、行星等發(fā)光和反光物質僅占宇宙總質能的4.9%。

除了高超的隱身本領外，暗物質還具有強大的“穿墻術”——能無聲無息地穿越任何障礙物。據(jù)統(tǒng)計，每秒鐘就有上億個暗物質粒子穿透我們的身體。

但是，對于我們身邊這些動不動就玩“穿透”的精靈，科學家們既不知道它們長什么樣、有多重，也不知道它有著怎樣的物理性質。因此，揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大科學突破，有助于幫助人們解開宇宙形成及演化的秘密。同時，一旦找到暗物質這樣一種全新的物質，將有可能在未來為人類提供取之不盡的高效新能源，甚至幫助人類實現(xiàn)星際穿越。

火眼金睛尋“幽靈”

2015年12月16日，在發(fā)射的前一天，中國首顆暗物質粒子探測衛(wèi)星被正式命名為“悟空”——這個從全國網友和科幻迷提供的32517個候選征名大PK中脫穎而出，最終被選定的名字，來自《西游記》中的齊天大圣，“悟”有領悟之意，“悟空”意為領悟、探索太空，用來為暗物質粒子探測衛(wèi)星命名頗為形象。

在《西游記》中，“齊天大圣”孫悟空上天入地，七十二變，無所不能，它的一雙火眼金睛能識別所有妖魔鬼怪，讓魑魅魍魎無所遁形。而與齊天大圣同名的這顆暗物質探測衛(wèi)星，同樣也有著“火眼金睛”——科學家為它裝載了塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器等四個國際領先的探測器，使它能探測高能粒子的能量、方向和電荷，并對粒子進行鑒別，從而探測出暗物質粒子的存在。

這四個“火眼金睛”上，凝聚了眾多中國獨有的高新技術。以BGO量能器為例，這一精密結構出自于中國科學院上海硅酸鹽研究所，由308根BGO晶體和光電倍增管構成。BGO晶體是一種能夠與暗物質粒子可能的湮滅產物作用的直接媒介，如果把BGO量能器比作“悟空”的“眼睛”，那么，BGO晶體就是它的“視網膜”。

這個“視網膜”結構極為精密，由308根25厘米×25厘米×60厘米的BGO晶體組成，作為BGO量能器的唯一候選探測材料，這種尺寸晶體的研制和量產是BGO量能器乃至衛(wèi)星系統(tǒng)研制成功的基本前提之一。此前，國際上已知最長的BGO晶體僅為40厘米。更長尺寸BGO晶體的生長是對晶體制備科學和技術的全新挑戰(zhàn)，不少業(yè)內專家甚至認為這是不可能完成的任務。

為了挑戰(zhàn)并實現(xiàn)這一“不可能任務”，從2011年6月起，上海硅酸鹽所的BGO研究組就在國際上率先開展了600mm長BGO晶體的制備科學與技術研究。此后兩年，在經歷不斷的研究、實驗、失敗、再研究后，科研人員最終成功實現(xiàn)了60厘米長晶體的制備與量產，使上海硅酸鹽所成為全球能研制并量產該長度BGO晶體的唯一供應商，并保持著生長BGO晶體長度的世界紀錄。

借助BGO量能器、塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、中子探測器等四個功能強大的眼睛，“悟空”每天能觀測到500萬個高能粒子，傳回16G數(shù)據(jù)量；而在地面，中國配備了100余人的科學家團隊來研究、分析這些數(shù)據(jù)，以期盡早找到“宇宙幽靈”暗物質。

發(fā)射低溫新紀錄

在人們以往的印象中，衛(wèi)星的體型往往都非常大，以“嫦娥二號”探月衛(wèi)星為例，它長2米，寬1.72米、高2.2米，體積為5.64立方米；與它相比，“悟空”的身形堪稱“纖巧”——它的長、寬、高分別為1.5米、1.5米、1.2米，體積僅為2.7立方米，大約只有一張辦公桌那么大。

雖然體型小，但“悟空”體內裝載的各類高精密科學儀器卻不少。據(jù)了解，整個衛(wèi)星的探測器就有4.2萬路電子學讀出電路、168路高壓電源，接近8萬路探測器通道數(shù)。衛(wèi)星副總設計師透露，“悟空”的復雜程度，超出了我國地面最復雜的加速器實驗裝置。如此高精密裝置的儀器，為的就是確?！拔蚩铡蓖馓仗綔y任務的成功。

除了精度高、結構復雜以外，“悟空”的發(fā)射也創(chuàng)造了新的低溫紀錄——“悟空”發(fā)射時的氣溫達到了零下15度，這一溫度接近火箭發(fā)射零下18度的極值，同時它也是酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心至今發(fā)射的87顆衛(wèi)星中發(fā)射氣溫最低。為此，科學家和技術人員采取了一系列卓有成效的保溫措施來確保其發(fā)射成功。

通過“兒子”找“爸爸”

入軌后，“悟空”將采取“巡天+定向”的方式，在2016～2017年對整個宇宙進行巡天掃描；之后，在2018年，根據(jù)探測結果對暗物質最可能出現(xiàn)的區(qū)域進行定向觀測。首批科學成果有望在衛(wèi)星發(fā)射6個月至一年后發(fā)布。

那么，暗物質既然號稱宇宙中本領最強的“隱身俠”，“悟空”又是通過什么樣的方式來尋找它的呢？

實際上，“悟空”此次到太空去尋找的并非暗物質，而是暗物質粒子湮滅或衰變的產物，有人把這樣的產物比喻成暗物質的兒子，打個形象的比方，“悟空”的探測方式，就好像是通過尋找“兒子”找“爸爸”。

為什么要采取這么曲折的方式？這是因為目前科學家尚未成功觀測到暗物質，因此，人們根本不知道它究竟是什么東西，長什么樣、有何種特性。這就好比，當我們要尋找一個人時，如果知道他的樣子、長相特征、穿的衣服，那相對來說會好找一些；但如果只知道這個人可能存在，但并不知道他穿什么衣服，長什么樣子以及其他一些個人特征，那就只能通過排除法，一步一步地篩選、排除，但這種方法無異于大海撈針，其難度可想而知。

而此時，如果我們能找到這個人的兒子，通過兒子的一些長相、特征以及基因等來尋找爸爸，可能會相對容易一些。“悟空”探測暗物質采取的就是這種方法。據(jù)暗物質粒子探測衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進介紹，如果我們能夠觀測到暗物質湮滅或衰變的產物，那么暗物質的質量和其他一些物理性質以及在空間的分布等信息都可以得到。

不過，常進同時也指出，暗物質的湮滅必須積累到一定程度，或是儀器靈敏度足夠高時才有可能發(fā)現(xiàn)，而且，對于暗物質的物理性質人們還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證衛(wèi)星一定能找到暗物質。但他也不無樂觀地指出：“探測器是一個望遠鏡。一旦正常工作，相當于為我們打開一扇新的窗口，陽光就會照進來?！蓖ㄟ^這扇窗，科學家們將會看到更加清晰的物理構成，捕捉到更多新奇的物理現(xiàn)象，為人們揭開深邃宇宙中更多的未解之謎。（編輯/清揚）