“悟空號”探索宇宙核心秘密

藏京京 李翔

2017年11月30日，中國科學院在北京召開新聞發布會，介紹了我國暗物質粒子探測衛星——“悟空”號取得的首批科學成果。相關成果同一時間在英國《自然》雜志發表。我國科學家宣布：利用“悟空”號運行前530天記錄的數據，他們繪制出了全世界最為精確的高能宇宙線電子能譜，據此人們可以分析其中蘊含著的豐富的關于宇宙的信息，特別是那些可能和長久以來人們力求破解的暗物質之謎相關的反常現象。

“悟空”號衛星的驚人發現

“悟空”號衛星此次發表的結果是宇宙線中的一種粒子——電子的能譜。宇宙線是充斥于整個宇宙空間、高速運動（速度非常接近光速）的高能量微觀粒子。它們主要是電離了的原子核，包括約87%的質子（氫原子核）、約12%的α粒子（氦原子核），剩下不到1%是更重的原子核、少量電子、反質子和正電子等粒子。電子是圍繞著原子核運動的帶負電的粒子，它們在宇宙線中的豐度很低，只有約千分之一。

“悟空”號衛星530天的運行共計記錄到28億個宇宙線粒子，科學家從中篩選出了約150萬個高能量的電子，測量出了這些電子的能譜分布（見圖1）。能譜指的是粒子數目隨能量的變化關系，即低能粒子和高能粒子的數量。能譜包含有我們理解這些粒子來源的很重要的信息。這就好比進行人口統計，各自計算嬰幼兒、青少年、中老年人的數量，根據人口年齡的分布，我們可以判斷出某個國家的人員結構、生產力水平、醫療養老面臨的壓力等。我們測量電子能譜也可以從中推測產生這些電子的起源是什么、它們如何分布、如何傳播等相關的信息。圖1所示的“悟空”號的結果（紅點）在很寬的能量段之內給出了關于電子能譜最精確的測量，揭示出電子能譜存在的一處拐折和一處可能的尖峰結構。和之前別的實驗測量結果相比，“悟空”號的結果精度最高、本底最低，為科學家理解高能電子起源提供了重要的數據。

既然電子與原子核相比數目如此稀少，那么為什么還要費勁去觀測電子呢？實際上電子和原子核的觀測都有用處，它們對應的科學目標不盡相同。對于我們最感興趣的暗物質探測這個目標，電子觀測比原子核來說更有優勢。形象地說，我們探測暗物質相當于大海撈針，暗物質的信號非常微弱，本底又非常高，探測難度很大。如果我們可以縮小搜尋范圍，那么便可以降低難度，提高成功率。相對于大量的原子核來說，電子數量稀少，通過電子探測暗物質相當于我們從“大海”轉到“湖泊”里面去撈針，雖然依舊很難，但顯然難度降低很多。

通過宇宙線探測暗物質屬于暗物質探測中的間接探測方法，即通過探測暗物質粒子湮滅或衰變產生的普通粒子（其中就包括電子）來間接探測暗物質粒子。根據理論物理學家的預期，暗物質可能具有微弱的相互作用，通過這樣的相互作用，暗物質粒子可以發生自湮滅或者衰變，就像一對正負電子碰在一起會發生湮滅而轉換成伽馬射線或者別的粒子一樣，一對暗物質粒子湮滅也可以產生正負電子、正反質子、伽馬射線等粒子。通過觀測這些宇宙線粒子，我們便有可能間接捕捉到暗物質粒子的相關信息。然而，理論物理學家無法預期暗物質湮滅或衰變信號會出現在什么能量區間，信號的強度有多大，信號的具體組成是什么，這給暗物質探測帶來了很大的困難。因此科學家們只好努力制造動態范圍更寬、精度更高、觀測粒子種類更多的儀器，以盡可能覆蓋更為寬廣的區域，提高捕捉到暗物質的幾率。這就好比撒網捕魚，既要求網大，還要求網密，才能減少漏網之魚。“悟空”號暗物質粒子探測衛星在設計時就秉承這樣的理念，力爭成為國際上最好的暗物質粒子探測器。

“悟空”號衛星的前世今生

暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上空的兩朵新的烏云，和一百年前的那兩朵烏云（黑體輻射和以太學說）類似，對它們的研究很可能會帶來科學上的新突破。暗物質問題是當前物理學最為核心的重大問題之一，世界各國都在集中人力、物力和財力研究這一問題。中國科學院制定的《創新2050：科學技術與中國的未來》戰略研究系列報告中，暗物質和暗能量探索被列為可能出現革命性突破的基本科學問題的第一位。

2011年，中國科學院組織實施戰略性先導科技專項，其中包括空間科學先導專項第一批共4顆空間科學衛星，“悟空”號暗物質粒子探測衛星就是其中之一。其他的3顆衛星，分別是“墨子”號量子科學衛星、“慧眼”硬X射線衛星和實踐十號科學實驗衛星。2011年11月，暗物質粒子探測衛星工程正式立項，經過科研人員和工程師4年時間的刻苦攻關，先后經歷原理樣機、初樣件和正樣件的研制，于2015年年中研制完成。衛星發射前夕，通過公開征名的方式，由網友提議并通過專家評選，暗物質粒子探測衛星被命名為“悟空”。“悟空”的寓意是希望通過其“火眼金睛”，準確地捕捉到暗物質，幫助我們“領悟太空”。2015年12月17日，“悟空”號衛星在酒泉發射中心搭載長征二號丁型火箭成功發射，成為中國首顆空間科學衛星，正式開啟了其探索宇宙的歷程。迄今“悟空”號衛星工作狀態非常穩定，數據質量優異，為后續不斷產出重要科學成果奠定了堅實的基礎。“悟空”號衛星設計壽命為3年，根據目前的儀器狀態，“悟空”號衛星將很可能運行5年甚至更長的時間。

“悟空”號衛星的原理

“悟空”號暗物質粒子探測衛星本質上是一個高能宇宙線粒子探測器。前文已經提到如果想最大可能探測到暗物質粒子，我們的儀器需要觀測盡可能寬的能量段、盡可能豐富的粒子種類、盡可能大的數據量。這些要求給“悟空”號衛星的研制提出了挑戰。中國科學家通過獨特的設計方案，以經濟節約的方式成功實現了上述要求。“悟空”號的科學儀器由4個子探測器組成，分別是塑料閃爍體探測器（用于測量粒子電荷）、硅陣列探測器（用于測量粒子方向）、鍺酸鉍（BGO）晶體量能器（用于測量粒子能量并同時鑒別粒子種類）和中子探測器（用于進一步鑒別粒子種類）。通過4個子探測器協同工作，我們可以精確地測量擊中探測器的粒子電荷、方向、能量和種類。基于這些信息，我們將可能發現暗物質留下的遺跡，也可以開展宇宙線相關的天體物理研究。

粒子的準確識別，特別是質子和電子之間的鑒別，只是“悟空”號衛星的絕技之一。宇宙線中電子僅占質子的千分之一左右，如果不能高精度區分質子和電子，便無法實現對電子的有效觀測。質子帶1個正電荷，電子帶1個負電荷，它們在塑料閃爍體里面的信號一樣（閃爍體只能測量電荷的絕對數值），因此需要通過別的辦法加以區分。“悟空”號衛星采用的方案是利用它們在BGO量能器中產生的信號形狀的差別來鑒別它們。比起電子信號，質子在BGO量能器中產生的信號要散亂許多，這跟質子的強相互作用屬性相關（如圖4所示）。根據這種形態的差異，我們可以輕易地區分開質子和電子。“悟空”號衛星區分質子和電子的本領達到了50000：1，也就是說50000個質子中只有1個會被誤判為電子。如此高的鑒別能力保證了“悟空”號衛星測量到的電子能譜非常純凈，結果也很可靠。

“悟空”號衛星還有一項絕技是測得準，它測量粒子能量的精度很高，是目前世界上同類儀器中最高的。“悟空”號衛星對高能電子的能量測量精度達到1%的程度，比別的儀器準確數倍甚至十余倍。如此高的測量精度對于揭示能譜中的可能結構非常關鍵。這就類似于一個視力正常的人和近視的人同時看一幅畫時的差別。

擁有了這些絕技，“悟空”號衛星才能憑借“火眼金晴”，從紛繁復雜的亂象中抓住一條關鍵線索，這或許能夠幫助我們認清暗物質這個幽靈的真面目。

【模樣】長、寬、高分別為1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。整體質量為1.85噸，有效載荷質量為1.4噸，軌道高度為500千米，壽命3年以上。

【神通】能通過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質粒子，是迄今觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器。

【筋斗云】搭載由中國航天科技集團第八研究院研制的長征二號丁型火箭升空。