騰霱千萬里 “悟空”只為探測神秘的暗物質(zhì)粒子

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)注：霱，yù，有瑞云、慶云的意思

　　在太空遨游不到一年，“悟空”發(fā)回的粒子數(shù)據(jù)就夠每個中國人“分配”到一個了。

　　去年12月17日，中國科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射升空，用它的“火眼金睛”幫助科學(xué)家尋找披著“隱身衣”的神秘暗物質(zhì)。

　　

　　▲暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星有效載荷20基地試驗隊

　　

　　▲衛(wèi)星扣罩

　　

　　▲衛(wèi)星轉(zhuǎn)場

　　

　　▲發(fā)射前

　　

　　▲發(fā)射

　　

　　▲介紹衛(wèi)星工作情況

　　

　　▲有效載荷工作狀態(tài)監(jiān)視

　　正常運轉(zhuǎn)353天，飛行5382軌，姿態(tài)穩(wěn)定，已完成全天區(qū)覆蓋，共探測宇宙射線約16億個。這是截至記者發(fā)稿時，“悟空”交出的一份完美成績單。

　　看著“悟空”畫的“圓弧”進入新年

　　事實上，“悟空”的完美表現(xiàn)甚至出乎科學(xué)家們的預(yù)料。4個有效載荷中，塑料閃爍體、BGO量能器、中子探測器都100%正常工作，硅徑跡探測器99.85%正常工作，也大幅度優(yōu)于原定的97.5%的指標(biāo)。

　　盡管如此，“悟空”的研究團隊也不敢稍有懈怠。他們不斷優(yōu)化在軌標(biāo)定的方案，以盡量短的時間實現(xiàn)對探測器各子探測器的可靠標(biāo)定，并充分利用這些數(shù)據(jù)來加快對物理事例重建軟件的研發(fā)。

　　對于暗物質(zhì)衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師、中科院紫金山天文臺研究員范一中而言，2016年的猴年春節(jié)特別而難忘。

　　“為了能夠與家人團聚，過年前那段時間整個團隊爆發(fā)出了驚人的潛力。”范一中回憶說，“凌晨2點，數(shù)據(jù)處理中心各個崗位上仍座無虛席。第二天一早到辦公室，有幾位同事還在工作，有的同事就縮在辦公椅上休息。”

　　憑著這股勁頭，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的年輕科學(xué)家們終于在大年二十九如期完成了各自的軟件升級任務(wù)，陸續(xù)回鄉(xiāng)過年。

　　人歇計算機集群不能歇。大年三十，暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺副臺長常進帶頭留守在辦公室值班，接收、檢查、處理數(shù)據(jù)，和同事們一起吃年夜飯。盡管少了與親友團聚的歡樂，但在他們看來，看著“悟空”在屏幕上畫著大大的圓弧進入農(nóng)歷猴年，另有一份濃濃的情意。

　　隨著時間推移，“悟空”的表現(xiàn)也越來越好。等到三個月的在軌測試結(jié)束后，對于它的表現(xiàn)，所有參與評審的專家都打了100分。“這在衛(wèi)星測試中是非常少見的。我們準(zhǔn)備的幾百種‘應(yīng)急方案’都沒用得上。”暗物質(zhì)衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師、紫金山天文臺研究員伍健說。

　　朝五晚十的“中央廚房”

　　如今，地面數(shù)據(jù)接收、物理事例重建、處理分析等各項工作已經(jīng)進入常態(tài)化。“悟空”每天繞著地球轉(zhuǎn)15圈，每圈4萬多公里，一天下來跑60多萬公里。當(dāng)它路過三亞、喀什、密云等地面數(shù)據(jù)接收站時，還要匯報工作，將觀測數(shù)據(jù)傳回。這些數(shù)據(jù)先是匯總到北京懷柔的地面支撐系統(tǒng)，經(jīng)過簡單處理后，再傳到紫金山天文臺的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

　　對于科研人員來說，這些被稱為1B的數(shù)據(jù)是最好的“食材”。而紫金山天文臺的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)好比是“中央廚房”，“悟空”不斷輸送過來的數(shù)據(jù)“食材”，將在這里被加工成可供研究人員應(yīng)用的高級物理信息。

　　早上五六點鐘開始看遙測參數(shù)是否正常，八點看前一天的衛(wèi)星觀測科學(xué)數(shù)據(jù)是否正常，接下來開始標(biāo)定和重建數(shù)據(jù)，直至晚上十點半結(jié)束一天的工作。這就是“中央廚房”每天的工作時間表。

　　李翔博士是“中央廚房”里22個監(jiān)控人員之一。“我們每天一個人輪班，通常處理完前一天的數(shù)據(jù)需要10多個小時，工作到晚上10點多是非常正常的。”李翔告訴《中國科學(xué)報》記者，數(shù)據(jù)的標(biāo)定和重建，實際上是相當(dāng)復(fù)雜的過程。

　　“悟空”每天傳送回來500萬個粒子信息，其中只有0.1%是有用的電子，光子的數(shù)量則還要少很多。因此，要想研究電子和光子的分布，必須剔除其中99%以上的質(zhì)子等宇宙線核素的信息。

　　自從“悟空”上天之后，常進就養(yǎng)成了一個習(xí)慣：早上醒來必須查看值班人員發(fā)來的對前一天衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總結(jié)報告，每晚只有查看完當(dāng)天已下載數(shù)據(jù)的完整情況以及實時處理情況后才能入眠。

　　打開新窗口的“中國力量”

　　由于暗物質(zhì)可能存在于任何區(qū)域，“悟空”頭兩年將對全天掃描，探測暗物質(zhì)存在的方位。兩年后，根據(jù)全天區(qū)探測的分析結(jié)果，它將對暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域開展定向觀測。

　　常進一再告訴研究團隊：“空間項目有太多的不確定因素，而且衛(wèi)星運行一天的費用高昂，一定要珍惜所有的觀測數(shù)據(jù)，最大可能地發(fā)掘其潛能。”

　　完成標(biāo)定和重建的1B數(shù)據(jù)成了被稱為“2A”的高級數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會分發(fā)到由上百個科學(xué)家組成的“DAMPE合作組”進行數(shù)據(jù)分析。其中，既有來自中科院紫金山天文臺、中國科技大學(xué)、中科院蘭州近物所、中科院高能物理所的中國科學(xué)家，還有來自日內(nèi)瓦大學(xué)、意大利佩魯賈大學(xué)和巴里大學(xué)等的國外合作者。

　　經(jīng)初步分析，“悟空”在粒子的電荷測量、能量測量、方向測量、粒子鑒別等方面都取得了重要進展，全面實現(xiàn)或超過了設(shè)計指標(biāo)。

　　“目前看來衛(wèi)星所獲得的數(shù)據(jù)都是非常扎實的，未來對于暗物質(zhì)存在的確認或否認都非常有意義。”中科院院士景益鵬表示，隨著數(shù)據(jù)的不斷累積，希望在不久的將來能夠獲得突破性成果。

　　為了能夠早日發(fā)表來自“悟空”的首批科學(xué)成果，整個研究團隊正在緊張地工作。“暗物質(zhì)探測是我們的主要科學(xué)目標(biāo)，但我們的主要工作目標(biāo)是衛(wèi)星正常工作、探測器標(biāo)定正確，這樣就能保證我們打開一扇觀測宇宙的新窗口，必然會有新發(fā)現(xiàn)。”常進說。

　　暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進：揭開暗物質(zhì)的神秘面紗

　　大量的天文學(xué)觀測表明，我們所生存的宇宙中由質(zhì)子、中子等構(gòu)成的所謂普通物質(zhì)，例如恒星、行星、星際氣體和塵埃，占宇宙總能量的份額僅約5%；約占27%的暗物質(zhì)和約占68%的暗能量，占了宇宙組分的絕大部分。

　　因此，理解暗物質(zhì)和暗能量問題，是我們認識宇宙的迫切而不可跨越的任務(wù)。暗物質(zhì)和暗能量的問題是當(dāng)代物理學(xué)面臨的重大問題，在這兩個問題上的突破將可能引領(lǐng)21世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展。

　　現(xiàn)有研究表明，暗物質(zhì)很可能是一種超出標(biāo)準(zhǔn)模型、參與弱相互作用的重粒子。它們自身以及和普通物質(zhì)的相互作用很弱，因此往往表現(xiàn)得很“暗”。然而，正是這種弱相互作用帶給了我們探測到暗物質(zhì)粒子的希望。如果我們制造出足夠精密的儀器，便有可能抓住非常稀有的暗物質(zhì)相互作用事件。

　　隨著探測器技術(shù)的發(fā)展，今天我們已經(jīng)可以在地下實驗室實現(xiàn)非常低本底的直接探測——測量暗物質(zhì)粒子和探測器的碰撞作用，在空間進行大接受度高分辨率的間接探測——測量暗物質(zhì)粒子自湮滅或衰變的遺跡。

　　目前，世界上有數(shù)十家實驗通過直接或間接的方法探測暗物質(zhì)粒子。隨著靈敏度逐漸提升，暗物質(zhì)粒子的剩余參數(shù)空間越來越小，人類或許很快就將揭開暗物質(zhì)的神秘面紗。

　　2015年12月17日，中國發(fā)射了第一顆空間天文衛(wèi)星——“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。“悟空”衛(wèi)星的首要科學(xué)目標(biāo)就是，通過高精度測量宇宙射線電子和伽馬射線的能譜及空間分布來探測暗物質(zhì)湮滅或衰變的遺跡。“悟空”衛(wèi)星搭載的科學(xué)儀器具有三個世界之最：最高的能量分辨本領(lǐng)、最寬的觀測能段、最強的高能粒子鑒別本領(lǐng)，因此有望在暗物質(zhì)間接探測中取得重要成果。

　　“悟空”衛(wèi)星各探測器工作狀態(tài)良好，每天平均觀測約500萬個高能粒子。截至目前，儀器已正常運轉(zhuǎn)330天，共探測到宇宙射線事件約16億個。現(xiàn)在我們在粒子的電荷測量、能量測量、方向測量、粒子鑒別等方面的研究進展良好，全面達到或超過了設(shè)計指標(biāo)。2017年初，我們將正式發(fā)布“悟空”的首批科學(xué)成果。