文/本刊特約記者　溫來生

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“悟空”巡天

文/本刊特約記者溫來生

京郊懷柔“悟空”上天了！

此“悟空”，當(dāng)然不是齊天大圣——孫悟空，而是探測衛(wèi)星“悟空”！

元旦前夕，中國首顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功升空，并順利進入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。此次發(fā)射任務(wù)圓滿成功，標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究邁出重要一步，同時也意味著位于北京市懷柔區(qū)雁棲開發(fā)區(qū)的中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心正式開始執(zhí)行其科研使命。

懷柔基地遙控“悟空”

“發(fā)射17秒后程序轉(zhuǎn)彎，發(fā)射790秒后星箭分離，火箭的入軌精度及分離時給衛(wèi)星提供的姿態(tài)都很準(zhǔn)確，比原定理論值還要精確。”空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮、中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季介紹，發(fā)射階段任務(wù)取得圓滿成功。

據(jù)悉，“悟空”將于2016年3月開始正式巡天，另有3顆科學(xué)衛(wèi)星“蓄勢待發(fā)”。作為中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的首發(fā)星，它“開了好頭”。

成功升空的“悟空”衛(wèi)星觀測能段范圍之寬、能量分辨率之優(yōu)，超過國際上其他同類探測器。而今后檢測“悟空”運行狀況、為其發(fā)送任務(wù)指令以及收集“悟空”采集的科學(xué)數(shù)據(jù)則全部由空間中心懷柔基地的地面控制中心負(fù)責(zé)完成。

“‘悟空’是中國古典名著《西游記》中主角齊天大圣的名字，其形象家喻戶曉，‘美猴王’(MonkeyKing)之稱也在海內(nèi)外廣為流傳。另一方面，‘悟’有領(lǐng)悟的意思，‘悟空’有領(lǐng)悟、探索太空之意，‘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。同時這也符合國際上將科學(xué)衛(wèi)星以神話形象命名的做法?！笨臻g科學(xué)懷柔基地負(fù)責(zé)人介紹，該地面控制中心早在一個月前就已經(jīng)進行衛(wèi)星升空后的預(yù)演工作，正式升空后將在未來三年執(zhí)行對衛(wèi)星“上傳指令，下達數(shù)據(jù)”的任務(wù)直至“悟空”完成它的歷史使命。明年該控制中心還將承擔(dān)另外三顆衛(wèi)星的“上傳下達”任務(wù)。

中科院空間中心懷柔基地是中科院北京懷柔科教產(chǎn)業(yè)園的重要項目之一，總占地168畝，主要測試運行硬X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星以及重大國際合作計劃“夸父計劃”的三顆衛(wèi)星，并將論證和遴選“十三五”期間將要發(fā)射的6至7個新的空間科學(xué)衛(wèi)星計劃。

同時，中心還負(fù)責(zé)組織開展國家空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃研究，空間科學(xué)衛(wèi)星工程的管理、組織實施，進行空間科學(xué)衛(wèi)星在軌運行管理和數(shù)據(jù)管理。不僅如此，懷柔中心還將協(xié)助首席科學(xué)家組織空間科學(xué)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析，開展空間科學(xué)及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新性科學(xué)與技術(shù)研究工作。

世界各國爭相探索暗物質(zhì)

暗物質(zhì)和暗能量，被科學(xué)家們稱為“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”?，F(xiàn)有物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的61種粒子目前都找到了，但暗物質(zhì)不在其中，如果發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，將會帶來相對論和量子力學(xué)之后物理學(xué)基礎(chǔ)理論的又一次重大突破。目前，中國和世界各國已著手籌建或?qū)嵤┒鄠€暗物質(zhì)探測實驗項目。

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。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，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)。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。

中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季說，“宇宙中，我們能看見的物質(zhì)，都因為帶有電子而能‘發(fā)光’，我們能觸碰一張桌子、一面墻，感覺到它們的存在，是因為有電磁場的相互作用。而暗物質(zhì)是不帶電荷的，也沒有電磁場的相互作用，能像幽靈一樣穿透阻礙物，不著痕跡地從身邊飛走。” 吳季說，“因此盡管我們周圍存在暗物質(zhì)，例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子，但我們并不能看到或感覺到?！卑滴镔|(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。

為此，我國把空間科學(xué)先導(dǎo)專項列為迄今為止最大的系列空間科學(xué)衛(wèi)星計劃，首批列入“十二五”規(guī)劃的衛(wèi)星共4顆，探測暗物質(zhì)的“悟空”是首發(fā)星，已順利升空。吳季介紹，其余3顆分別是進行空間微重力實驗的實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星、實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子保密通信試驗的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星、研究黑洞的性質(zhì)及極端條件下物理規(guī)律的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，都將在明年陸續(xù)升空。

“目前我國在天上運行的衛(wèi)星有100多顆，基本都是氣象、遙感、通訊等應(yīng)用衛(wèi)星，用于支撐基礎(chǔ)科研前沿探索的衛(wèi)星還很少?，F(xiàn)在空間衛(wèi)星領(lǐng)域，特別需要加強‘悟空’這樣的基礎(chǔ)科學(xué)研究衛(wèi)星。”中科院重大任務(wù)局局長王越超說。

中國科學(xué)院院士、中國載人航天工程技術(shù)顧問顧逸東指出，如果在空間科學(xué)上沒有被國際同行公認(rèn)的重大成就，與航天大國的地位完全不相稱，而空間科學(xué)先導(dǎo)專項相當(dāng)于一條“跑道”，中國空間科學(xué)終于可以奮起直追。

“悟空”怎樣施展“神通”？

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中首批立項研制的4顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，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。衛(wèi)星上裝載的暗物質(zhì)粒子探測器，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。

“悟空”采取了與以往中國衛(wèi)星完全不同的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)方式?！斑^去車大貨少，這次車貨一體設(shè)計，有效載荷比重大，國際上都算非常高的?！卑滴镔|(zhì)粒子探測衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師李華旺介紹說，以前衛(wèi)星載荷只占其總重量的幾分之一，但“悟空”體重1.85噸，其中有效載荷1.41噸，有效載荷比高達76%。這樣的設(shè)計讓“悟空”本事又大，花錢又省。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進介紹，“衛(wèi)星由四個探測器合成，構(gòu)造特別復(fù)雜，能量分辨率、電子和伽馬射線的觀測能段都是世界第一，空間分辨即角分辨率、本底抑制都和國際最高水平基本相當(dāng)。衛(wèi)星上天約8天后可以開始采集數(shù)據(jù)并做標(biāo)定，半年后會有初步的發(fā)現(xiàn)。我們希望在空間打開一扇新的窗口，不能肯定會找到暗物質(zhì)，但肯定會有新現(xiàn)象、新發(fā)現(xiàn)”。

“它體積雖小，功能卻非常強大?！背＿M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(yuǎn)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。

據(jù)悉，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。

目前，“悟空”在升空后已成功獲取首批科學(xué)數(shù)據(jù)，地面支撐系統(tǒng)密云站成功接收到衛(wèi)星首批探測到的科學(xué)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時傳送到位于懷柔的地面支撐系統(tǒng)空間科學(xué)任務(wù)大廳。暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進介紹，接收到的數(shù)據(jù)顯示，暗物質(zhì)衛(wèi)星的塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器等四大科學(xué)載荷探測到的高能電子和伽馬射線計數(shù)與此前地面預(yù)測計數(shù)率一致，表明暗物質(zhì)衛(wèi)星的有效載荷已開始正常工作?！拔蚩铡毖蔡齑T果，將助力我國暗物質(zhì)科學(xué)早日取得重大進展。

科學(xué)家們稱，將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星命名為“悟空”，既希望提升空間科學(xué)的認(rèn)知度和關(guān)注度，同時希望借傳統(tǒng)文化提升中國公眾的科學(xué)素養(yǎng)，特別是激發(fā)青少年探索未知。