當(dāng)我們仰望星空，其實只看到了宇宙的冰山一角，宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏的。天文學(xué)家估算，宇宙中95％以上是人類還沒有弄清楚的暗物質(zhì)（26.8％）和暗能量68.3％），只有不到5％是已知的普通物質(zhì)。
暗物質(zhì)，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學(xué)家僅知道它們存在，卻無法探測到它們。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，它的使命就是用“火眼金睛”去尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
“這是中國科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡。”我國暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺副臺長常進說，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實現(xiàn)空間科學(xué)重大突破。”
“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，超過國際上所有同類探測器。它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務(wù)，探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)，研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律。
此次發(fā)射的暗物質(zhì)衛(wèi)星全部由中科院研制、生產(chǎn)。工程2011年立項，造價1億美元，遠低于國外同類探測器。衛(wèi)星將在軌運行3年以上，首批科學(xué)成果有望在6個月至1年后發(fā)布。
暗物質(zhì)是怎樣一種神奇的存在
暗物質(zhì)有多火？就連熱門美劇《生活大爆炸》里的主角“謝耳朵”都轉(zhuǎn)行研究暗物質(zhì)了。
暗物質(zhì)是怎么被發(fā)現(xiàn)的？20世紀(jì)30年代初，美國加州理工學(xué)院的天體物理學(xué)家茲威基第一個發(fā)現(xiàn)，宇宙中可見物質(zhì)遠遠不足以把宇宙連成一片，如果不是存在一種神秘而不可見的物質(zhì)，星系早就分崩離析。
科學(xué)家把這種看不見的神秘物質(zhì)稱為暗物質(zhì)”。到了20世紀(jì)70年代，多種天文觀測，比如盤星系的旋轉(zhuǎn)曲線、星系團Ｘ射線觀測、引力透鏡等都顯示了暗物質(zhì)的存在。但直到現(xiàn)在還沒有確定的暗物質(zhì)信號被探測到。
暗物質(zhì)和暗能量被認為是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵“烏云”。美國科學(xué)家在一份報告中列出21世紀(jì)要解答的11個科學(xué)問題，什么是暗物質(zhì)”被列在第一位。
科學(xué)界公認，揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍，將帶來物理學(xué)的又一次革命。
科學(xué)界公認，揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍，將帶來物理學(xué)的又一次革命。
中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說，暗物質(zhì)粒子的探測目前是國際科學(xué)前沿競爭最為激烈的研究領(lǐng)域，全世界的科學(xué)家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)、暗能量及其隱藏的巨大科學(xué)寶藏。
“可到目前為止，人們找到的還都只是一些疑似證據(jù)。”吳季說。
暗物質(zhì)距離人類生活如此遙遠，為什么還要花這么多時間、精力和成本去尋找？科學(xué)家們回答，這一方面源自人類對于未知的好奇心和求知欲，另一方面，科學(xué)研究的價值和意義雖然有時在短期內(nèi)無法顯現(xiàn)，但往往能帶來一些“副產(chǎn)品”，給科技和生活帶來變革。
雖然科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)究竟由什么構(gòu)成，但通過觀測它如何影響普通物質(zhì)，并模擬它的引力效應(yīng)，還是對它有了一些了解：
——宇宙中95％以上是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占26.8％。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學(xué)或電磁觀測設(shè)備直接“看”到。
——暗物質(zhì)難以探測，還在于它密度小、速度快，難以捕捉?？茖W(xué)家測算，暗物質(zhì)粒子每秒的運動速度為220公里。
——暗物質(zhì)應(yīng)該來自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常強，它們劇烈碰撞，在這種相互作用下，包括暗物質(zhì)在內(nèi)的各種各樣的物質(zhì)由此產(chǎn)生。
——宇宙的結(jié)構(gòu)與暗物質(zhì)有關(guān)。由于暗物質(zhì)和它自己以及其他物質(zhì)不發(fā)生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結(jié)構(gòu)的首要物質(zhì)類型。暗物質(zhì)播下了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)的種子，隨后可見物質(zhì)才聚集在一些由暗物質(zhì)建立起來的引力點上，并最終形成了星系。
——暗物質(zhì)對生命來說是絕不可少的。假如沒有暗物質(zhì)的引力作用，我們所在的銀河系將永遠無法在宇宙大爆炸后的膨脹過程中坍縮形成。那樣的話，現(xiàn)在既沒有太陽，也沒有地球，更沒有你我……
吳季說，由于人類還不了解暗物質(zhì)，不得已才稱它們“暗”，一旦發(fā)現(xiàn)了它們是什么，并且隨著研究的深入，新發(fā)現(xiàn)的粒子就會有很多名字。“暗”只是階段性的名字，也充分體現(xiàn)了人類還不了解它。
對于找到暗物質(zhì)，科學(xué)家已經(jīng)等待了數(shù)十年。通過一系列實驗和觀測，科學(xué)家們或許距離破解暗物質(zhì)這個宇宙謎團只有一步之遙了。
怎樣尋找“宇宙幽靈”
目前，國際上對暗物質(zhì)探測方式主要分為3類。第一類是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強子對撞機；第二類是在地下進行的直接探測，各國有不少這樣的實驗項目，其中我國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實驗室；第三類是在太空進行間接探測。
我國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星屬于第三種方法。這種方法怎樣尋找暗物質(zhì)？常進解釋說，世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì)，當(dāng)一個物質(zhì)遇到一個反物質(zhì)的時候，兩者都會被摧毀，由此產(chǎn)生巨大的能量。但是暗物質(zhì)非常獨特，它的反物質(zhì)就是本身，如果暗物質(zhì)粒子和自身的反物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的能量將更大。
“假如能夠監(jiān)測到暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的高能粒子，如伽馬射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等，并能夠精確測量這些粒子的能譜，就能間接證明暗物質(zhì)的存在。”常進說。
采用同樣方法的還有諾貝爾獎獲得者丁肇中研制并放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號（ＡＭＳ02）以及日本今年發(fā)射的量能器電子望遠鏡等。其中ＡＭＳ02已經(jīng)觀測到一些異常，但因為觀測能段的限制，數(shù)據(jù)也比較少，還無法下結(jié)論。
“我國的暗物質(zhì)衛(wèi)星是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，超過國際上所有同類探測器。”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師伍健說，其能段是阿爾法磁譜儀的10倍，涵蓋了電子能譜和光子能譜發(fā)生異常的地方；其能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。
“宇宙空間是人類最后的實驗室，宇宙射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上。”常進說，“我國暗物質(zhì)衛(wèi)星提出的觀測對象和觀測能區(qū)都是到目前為止國際上的第一次。”
“悟空”怎樣施展“神通”
暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”比一張辦公桌大不了多少。“它體積雖小，功能卻非常強大。”常進介紹，衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（ＣＥＲＮ）進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標(biāo)，表明它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強3大優(yōu)勢。
衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師李華旺介紹，衛(wèi)星由4個科學(xué)探測有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、ＢＧＯ量能器和中子探測器，共同構(gòu)成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起，就像一個四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。
進入太空后，“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式：在頭兩年采用巡天觀測模式，由于暗物質(zhì)可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對全天掃描；兩年后衛(wèi)星轉(zhuǎn)入定向觀測模式，根據(jù)全天區(qū)探測的結(jié)果分析出暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對這些區(qū)域開展定向觀測。
衛(wèi)星每天將傳回約16Ｇ數(shù)據(jù)量，地面100余人的科學(xué)家團隊將對數(shù)據(jù)展開分析研究。首批科學(xué)成果可能在6個月至1年后發(fā)布。
衛(wèi)星每天將傳回約16Ｇ數(shù)據(jù)量，地面100余人的科學(xué)家團隊將對數(shù)據(jù)展開分析研究。首批科學(xué)成果可能在6個月至1年后發(fā)布。
國際上很多團隊在尋找暗物質(zhì)，但迄今還從未探測到暗物質(zhì)的明確信號。常進坦言，暗物質(zhì)的基本物理性質(zhì)還沒有弄清楚，沒有人能百分之百保證找到暗物質(zhì)。“但只要衛(wèi)星工作正常，就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口，必然會發(fā)現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象。”常進說，尋找暗物質(zhì)需要全世界科學(xué)家共同努力。
“悟空”小檔案
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心表示，悟空是古典名著《西游記》中齊天大圣的名字，“悟”有領(lǐng)悟的意思，“悟空”有領(lǐng)悟、探索太空之意；另一方面，悟空的火眼金睛，猶如暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的探測器，可以在茫茫太空中，識別暗物質(zhì)的蹤影。
“悟空”究竟是怎樣的一顆衛(wèi)星？以下是它的小檔案：
它有多大？
長、寬、高分別1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。
它有多重？
這顆衛(wèi)星整體質(zhì)量為1.85噸，有效載荷質(zhì)量為1.4噸。
它的軌道高度是多少？
500公里。
它的壽命多長？
3年以上。
它在太空怎么工作？
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(zhì)粒子。
它有何獨到之處？
它是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，超過國際上所有同類探測器。
它在哪兒發(fā)射？
中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。
誰送它上太空？
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。
這是長征二號丁運載火箭執(zhí)行的第26次飛行任務(wù)，該型火箭保持了百分之百的成功率。暗物質(zhì)衛(wèi)星工程運載系統(tǒng)總設(shè)計師洪剛介紹，專家對長二丁火箭做了一些改進，他將火箭上感知其位置、姿態(tài)、速度的裝置比作火箭的小腦。“我們?yōu)榛鸺惭b了更先進、穩(wěn)定的兩套‘小腦’——激光慣組和光纖慣組，有主有備，提高了可靠性，還為火箭減輕了二三十公斤的重量。充當(dāng)火箭‘大腦’的計算機也裝了3塊主板，任何一塊出問題，都不會影響到整個任務(wù)的成敗。”
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