“悟空”巡天

文/本刊特约记者　温来生



“悟空”巡天

文/本刊特约记者温来生

京郊怀柔“悟空”上天了！

此“悟空”，当然不是齐天大圣——孙悟空，而是探测卫星“悟空”！

元旦前夕，中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功升空，并顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功，标志着我国空间科学研究迈出重要一步，同时也意味着位于北京市怀柔区雁栖开发区的中国科学院国家空间科学中心正式开始执行其科研使命。

怀柔基地遥控“悟空”

“发射17秒后程序转弯，发射790秒后星箭分离，火箭的入轨精度及分离时给卫星提供的姿态都很准确，比原定理论值还要精确。”空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季介绍，发射阶段任务取得圆满成功。

据悉，“悟空”将于2016年3月开始正式巡天，另有3颗科学卫星“蓄势待发”。作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星，它“开了好头”。

成功升空的“悟空”卫星观测能段范围之宽、能量分辨率之优，超过国际上其他同类探测器。而今后检测“悟空”运行状况、为其发送任务指令以及收集“悟空”采集的科学数据则全部由空间中心怀柔基地的地面控制中心负责完成。

“‘悟空’是中国古典名著《西游记》中主角齐天大圣的名字，其形象家喻户晓，‘美猴王’(MonkeyKing)之称也在海内外广为流传。另一方面，‘悟’有领悟的意思，‘悟空’有领悟、探索太空之意，‘悟空’的火眼金睛，犹如暗物质粒子探测卫星的探测器，可以在茫茫太空中，识别暗物质的踪影。同时这也符合国际上将科学卫星以神话形象命名的做法。”空间科学怀柔基地负责人介绍，该地面控制中心早在一个月前就已经进行卫星升空后的预演工作，正式升空后将在未来三年执行对卫星“上传指令，下达数据”的任务直至“悟空”完成它的历史使命。明年该控制中心还将承担另外三颗卫星的“上传下达”任务。

中科院空间中心怀柔基地是中科院北京怀柔科教产业园的重要项目之一，总占地168亩，主要测试运行硬X射线望远镜卫星、量子科学实验卫星、暗物质粒子探测卫星、实践十号返回式科学实验卫星以及重大国际合作计划“夸父计划”的三颗卫星，并将论证和遴选“十三五”期间将要发射的6至7个新的空间科学卫星计划。

同时，中心还负责组织开展国家空间科学发展规划研究，空间科学卫星工程的管理、组织实施，进行空间科学卫星在轨运行管理和数据管理。不仅如此，怀柔中心还将协助首席科学家组织空间科学卫星的数据分析，开展空间科学及相关应用领域的创新性科学与技术研究工作。

世界各国争相探索暗物质

暗物质和暗能量，被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。现有物理学的标准模型预言的61种粒子目前都找到了，但暗物质不在其中，如果发现暗物质，将会带来相对论和量子力学之后物理学基础理论的又一次重大突破。目前，中国和世界各国已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目。

暗物质，披着隐身衣的“宇宙幽灵”，科学家仅知道它们存在，却无法探测到它们。暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进说，当我们仰望星空，其实只看到了宇宙的冰山一角，宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏的。天文学家估算，宇宙中95%以上是人类还没有弄清楚的暗物质（26.8%）和暗能量（68.3%），只有不到5%是已知的普通物质。它有望深刻地变革人类的宇宙观，实现空间科学重大突破。

中科院国家空间科学中心主任吴季说，“宇宙中，我们能看见的物质，都因为带有电子而能‘发光’，我们能触碰一张桌子、一面墙，感觉到它们的存在，是因为有电磁场的相互作用。而暗物质是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，能像幽灵一样穿透阻碍物，不着痕迹地从身边飞走。” 吴季说，“因此尽管我们周围存在暗物质，例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子，但我们并不能看到或感觉到。”暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域，全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质、暗能量及其隐藏的巨大科学宝藏。

为此，我国把空间科学先导专项列为迄今为止最大的系列空间科学卫星计划，首批列入“十二五”规划的卫星共4颗，探测暗物质的“悟空”是首发星，已顺利升空。吴季介绍，其余3颗分别是进行空间微重力实验的实践十号返回式科学实验卫星、实现卫星与地面之间量子保密通信试验的量子科学实验卫星、研究黑洞的性质及极端条件下物理规律的硬X射线调制望远镜卫星，都将在明年陆续升空。

“目前我国在天上运行的卫星有100多颗，基本都是气象、遥感、通讯等应用卫星，用于支撑基础科研前沿探索的卫星还很少。现在空间卫星领域，特别需要加强‘悟空’这样的基础科学研究卫星。”中科院重大任务局局长王越超说。

中国科学院院士、中国载人航天工程技术顾问顾逸东指出，如果在空间科学上没有被国际同行公认的重大成就，与航天大国的地位完全不相称，而空间科学先导专项相当于一条“跑道”，中国空间科学终于可以奋起直追。

“悟空”怎样施展“神通”？

“悟空”暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一，是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。卫星上装载的暗物质粒子探测器，将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务，探寻暗物质存在的证据，研究暗物质特性与空间分布规律。

“悟空”采取了与以往中国卫星完全不同的创新结构方式。“过去车大货少，这次车货一体设计，有效载荷比重大，国际上都算非常高的。”暗物质粒子探测卫星系统总设计师李华旺介绍说，以前卫星载荷只占其总重量的几分之一，但“悟空”体重1.85吨，其中有效载荷1.41吨，有效载荷比高达76%。这样的设计让“悟空”本事又大，花钱又省。

暗物质粒子探测卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进介绍，“卫星由四个探测器合成，构造特别复杂，能量分辨率、电子和伽马射线的观测能段都是世界第一，空间分辨即角分辨率、本底抑制都和国际最高水平基本相当。卫星上天约8天后可以开始采集数据并做标定，半年后会有初步的发现。我们希望在空间打开一扇新的窗口，不能肯定会找到暗物质，但肯定会有新现象、新发现”。

“它体积虽小，功能却非常强大。”常进介绍，卫星有效载荷初样件在欧洲核子中心（CERN）进行了3次束流实验来测试各项物理性能指标，表明它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强3大优势。卫星系统总设计师李华旺介绍，卫星由4个科学探测有效载荷组成，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器，共同构成一个高能粒子探测器望远镜。4个探测器由上到下摞在一起，就像一个四层“大蛋糕”，它们各司其职，又联合执行任务，可以高精度地测量入射粒子的种类、方向、能量和电荷。

据悉，进入太空后，“悟空”将在500公里太阳同步轨道上运行。它将采取两种观测模式：在头两年采用巡天观测模式，由于暗物质可能存在于全天区的任何区域，所以第一阶段对全天扫描；两年后卫星转入定向观测模式，根据全天区探测的结果分析出暗物质最可能出现的区域，并针对这些区域开展定向观测。卫星每天将传回约16G数据量，地面100余人的科学家团队将对数据展开分析研究。首批科学成果可能在6个月至1年后发布。

目前，“悟空”在升空后已成功获取首批科学数据，地面支撑系统密云站成功接收到卫星首批探测到的科学数据，并将数据实时传送到位于怀柔的地面支撑系统空间科学任务大厅。暗物质卫星首席科学家常进介绍，接收到的数据显示，暗物质卫星的塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器等四大科学载荷探测到的高能电子和伽马射线计数与此前地面预测计数率一致，表明暗物质卫星的有效载荷已开始正常工作。“悟空”巡天硕果，将助力我国暗物质科学早日取得重大进展。

科学家们称，将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”，既希望提升空间科学的认知度和关注度，同时希望借传统文化提升中国公众的科学素养，特别是激发青少年探索未知。