“悟空号”探索宇宙核心秘密

藏京京 李翔

2017年11月30日，中国科学院在北京召开新闻发布会，介绍了我国暗物质粒子探测卫星——“悟空”号取得的首批科学成果。相关成果同一时间在英国《自然》杂志发表。我国科学家宣布：利用“悟空”号运行前530天记录的数据，他们绘制出了全世界最为精确的高能宇宙线电子能谱，据此人们可以分析其中蕴含着的丰富的关于宇宙的信息，特别是那些可能和长久以来人们力求破解的暗物质之谜相關的反常现象。

“悟空”号卫星的惊人发现

“悟空”号卫星此次发表的结果是宇宙线中的一种粒子——电子的能谱。宇宙线是充斥于整个宇宙空间、高速运动（速度非常接近光速）的高能量微观粒子。它们主要是电离了的原子核，包括约87%的质子（氢原子核）、约12%的α粒子（氦原子核），剩下不到1%是更重的原子核、少量电子、反质子和正电子等粒子。电子是围绕着原子核运动的带负电的粒子，它们在宇宙线中的丰度很低，只有约千分之一。

“悟空”号卫星530天的运行共计记录到28亿个宇宙线粒子，科学家从中筛选出了约150万个高能量的电子，测量出了这些电子的能谱分布（见图1）。能谱指的是粒子数目随能量的变化关系，即低能粒子和高能粒子的数量。能谱包含有我们理解这些粒子来源的很重要的信息。这就好比进行人口统计，各自计算婴幼儿、青少年、中老年人的数量，根据人口年龄的分布，我们可以判断出某个国家的人员结构、生产力水平、医疗养老面临的压力等。我们测量电子能谱也可以从中推测产生这些电子的起源是什么、它们如何分布、如何传播等相关的信息。图1所示的“悟空”号的结果（红点）在很宽的能量段之内给出了关于电子能谱最精确的测量，揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构。和之前别的实验测量结果相比，“悟空”号的结果精度最高、本底最低，为科学家理解高能电子起源提供了重要的数据。

既然电子与原子核相比数目如此稀少，那么为什么还要费劲去观测电子呢？实际上电子和原子核的观测都有用处，它们对应的科学目标不尽相同。对于我们最感兴趣的暗物质探测这个目标，电子观测比原子核来说更有优势。形象地说，我们探测暗物质相当于大海捞针，暗物质的信号非常微弱，本底又非常高，探测难度很大。如果我们可以缩小搜寻范围，那么便可以降低难度，提高成功率。相对于大量的原子核来说，电子数量稀少，通过电子探测暗物质相当于我们从“大海”转到“湖泊”里面去捞针，虽然依旧很难，但显然难度降低很多。

通过宇宙线探测暗物质属于暗物质探测中的间接探测方法，即通过探测暗物质粒子湮灭或衰变产生的普通粒子（其中就包括电子）来间接探测暗物质粒子。根据理论物理学家的预期，暗物质可能具有微弱的相互作用，通过这样的相互作用，暗物质粒子可以发生自湮灭或者衰变，就像一对正负电子碰在一起会发生湮灭而转换成伽马射线或者别的粒子一样，一对暗物质粒子湮灭也可以产生正负电子、正反质子、伽马射线等粒子。通过观测这些宇宙线粒子，我们便有可能间接捕捉到暗物质粒子的相关信息。然而，理论物理学家无法预期暗物质湮灭或衰变信号会出现在什么能量区间，信号的强度有多大，信号的具体组成是什么，这给暗物质探测带来了很大的困难。因此科学家们只好努力制造动态范围更宽、精度更高、观测粒子种类更多的仪器，以尽可能覆盖更为宽广的区域，提高捕捉到暗物质的几率。这就好比撒网捕鱼，既要求网大，还要求网密，才能减少漏网之鱼。“悟空”号暗物质粒子探测卫星在设计时就秉承这样的理念，力争成为国际上最好的暗物质粒子探测器。

“悟空”号卫星的前世今生

暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学上空的两朵新的乌云，和一百年前的那两朵乌云（黑体辐射和以太学说）类似，对它们的研究很可能会带来科学上的新突破。暗物质问题是当前物理学最为核心的重大问题之一，世界各国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。中国科学院制定的《创新2050：科学技术与中国的未来》战略研究系列报告中，暗物质和暗能量探索被列为可能出现革命性突破的基本科学问题的第一位。

2011年，中国科学院组织实施战略性先导科技专项，其中包括空间科学先导专项第一批共4颗空间科学卫星，“悟空”号暗物质粒子探测卫星就是其中之一。其他的3颗卫星，分别是“墨子”号量子科学卫星、“慧眼”硬X射线卫星和实践十号科学实验卫星。2011年11月，暗物质粒子探测卫星工程正式立项，经过科研人员和工程师4年时间的刻苦攻关，先后经历原理样机、初样件和正样件的研制，于2015年年中研制完成。卫星发射前夕，通过公开征名的方式，由网友提议并通过专家评选，暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”。“悟空”的寓意是希望通过其“火眼金睛”，准确地捕捉到暗物质，帮助我们“领悟太空”。2015年12月17日，“悟空”号卫星在酒泉发射中心搭载长征二号丁型火箭成功发射，成为中国首颗空间科学卫星，正式开启了其探索宇宙的历程。迄今“悟空”号卫星工作状态非常稳定，数据质量优异，为后续不断产出重要科学成果奠定了坚实的基础。“悟空”号卫星设计寿命为3年，根据目前的仪器状态，“悟空”号卫星将很可能运行5年甚至更长的时间。

“悟空”号卫星的原理

“悟空”号暗物质粒子探测卫星本质上是一个高能宇宙线粒子探测器。前文已经提到如果想最大可能探测到暗物质粒子，我们的仪器需要观测尽可能宽的能量段、尽可能丰富的粒子种类、尽可能大的数据量。这些要求给“悟空”号卫星的研制提出了挑战。中国科学家通过独特的设计方案，以经济节约的方式成功实现了上述要求。“悟空”号的科学仪器由4个子探测器组成，分别是塑料闪烁体探测器（用于测量粒子电荷）、硅阵列探测器（用于测量粒子方向）、锗酸铋（BGO）晶体量能器（用于测量粒子能量并同时鉴别粒子种类）和中子探测器（用于进一步鉴别粒子种类）。通过4个子探测器协同工作，我们可以精确地测量击中探测器的粒子电荷、方向、能量和种类。基于这些信息，我们将可能发现暗物质留下的遗迹，也可以开展宇宙线相关的天体物理研究。

粒子的准确识别，特别是质子和电子之间的鉴别，只是“悟空”号卫星的绝技之一。宇宙线中电子仅占质子的千分之一左右，如果不能高精度区分质子和电子，便无法实现对电子的有效观测。质子带1个正电荷，电子带1个负电荷，它们在塑料闪烁体里面的信号一样（闪烁体只能测量电荷的绝对数值），因此需要通过别的办法加以区分。“悟空”号卫星采用的方案是利用它们在BGO量能器中产生的信号形状的差别来鉴别它们。比起电子信号，质子在BGO量能器中产生的信号要散乱许多，这跟质子的强相互作用属性相关（如图4所示）。根据这种形态的差异，我们可以轻易地区分开质子和电子。“悟空”号卫星区分质子和电子的本领达到了50000：1，也就是说50000个质子中只有1个会被误判为电子。如此高的鉴别能力保证了“悟空”号卫星测量到的电子能谱非常纯净，结果也很可靠。

“悟空”号卫星还有一项绝技是测得准，它测量粒子能量的精度很高，是目前世界上同类仪器中最高的。“悟空”号卫星对高能电子的能量测量精度达到1%的程度，比别的仪器准确数倍甚至十余倍。如此高的测量精度对于揭示能谱中的可能结构非常关键。这就类似于一个视力正常的人和近视的人同时看一幅画时的差别。

拥有了这些绝技，“悟空”号卫星才能凭借“火眼金晴”，从纷繁复杂的乱象中抓住一条关键线索，这或许能够帮助我们认清暗物质这个幽灵的真面目。

【模样】长、宽、高分别为1.5米、1.5米、1.2米，比一张办公桌大不了多少。整体质量为1.85吨，有效载荷质量为1.4吨，轨道高度为500千米，寿命3年以上。

【神通】能通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子，是迄今观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

【筋斗云】搭载由中国航天科技集团第八研究院研制的长征二号丁型火箭升空。