“ 悟空” 衛(wèi)星工作530 天得到的高精度宇宙射線電子能譜（紅色數(shù)據(jù)點），以及和美國費米衛(wèi)星測量結(jié)果（藍(lán)點）、丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀的測量結(jié)果（ 綠點）的比較
北京時間11月30日，Nature雜志在線發(fā)表了中國首顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”（DAMPE）取得的最新成果。
“悟空”在軌運行的前530天，共采集了約28億個高能宇宙射線，其中包含約150萬個25GeV（1GeV=10億電子伏特）以上的電子宇宙射線?；谶@些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上最精確的高能電子宇宙線能譜，并暗示了暗物質(zhì)粒子存在可能的新證據(jù)。
中科院院長白春禮認(rèn)為，如果后續(xù)研究證實這一發(fā)現(xiàn)與暗物質(zhì)相關(guān)，將是一項劃時代意義的科學(xué)成果，即便與暗物質(zhì)無關(guān)，也可能帶來對現(xiàn)有科學(xué)理論的突破。
“悟空”發(fā)現(xiàn)疑似暗物質(zhì)蹤跡
中科院院士吳岳良告訴記者，暗物質(zhì)和暗能量占當(dāng)今宇宙總能量密度的95%，暗物質(zhì)粒子具有不發(fā)光、相互作用弱、長壽命、質(zhì)量大等特點，天文觀測表明，宇宙中的暗物質(zhì)是人類目前熟悉的普通物質(zhì)的5倍。
理解暗物質(zhì)屬性，是國際上粒子物理和天體物理領(lǐng)域最重大問題之一。
因為不發(fā)光，所以暗物質(zhì)難以探測。根據(jù)目前理論物理學(xué)家的解釋，如果暗物質(zhì)粒子相互碰撞并湮滅，產(chǎn)生高能電子，那么到空間去精確地探測高能電子能譜，就可以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。
“通過探測暗物質(zhì)粒子湮滅后產(chǎn)生的看得見的普通粒子，可以探測看不見的暗物質(zhì)粒子，但由于暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號很微弱，所以需要高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計量、低成本的高能粒子望遠(yuǎn)鏡?！薄拔蚩铡笔紫茖W(xué)家、中科院紫金山天文臺副臺長常進(jìn)說。
“悟空”正是瞄準(zhǔn)這個方向，基于前期獲得的數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結(jié)果，首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1TeV（1TeV=1萬億電子伏特）處的拐折，為判定能量低于1TeV的電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)湮滅起著關(guān)鍵性作用。
“暗物質(zhì)湮滅時，兩個粒子碰到一起會產(chǎn)生電子、伽馬射線的異常能譜段，這一能譜段（指電子數(shù)目隨能量的變化情況）會出現(xiàn)拐折，現(xiàn)在這一拐折能夠百分之百確認(rèn)存在?！卑滴镔|(zhì)衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師范一中解釋說。
此外，“悟空”還探尋到了一些非常尖銳的能譜信號。初步數(shù)據(jù)顯示，宇宙線高能電子約在1.4TeV附近呈現(xiàn)出尖銳的能譜，暗示了暗物質(zhì)粒子存在可能的新證據(jù)。
常進(jìn)認(rèn)為，正常的能譜變化應(yīng)該是一條平滑的曲線，但根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，這里突然出現(xiàn)了一處劇烈波動，劃出一個“尖峰”，意味著此處有“古怪”。
因為置信度不夠，目前這個“尖銳結(jié)構(gòu)”的電子能譜沒有被確認(rèn)，現(xiàn)在回答這是否是暗物質(zhì)為時尚早。
“現(xiàn)在我們更關(guān)心1.4TeV的這個數(shù)據(jù)點。天上會不會有類似加速器一樣的天體現(xiàn)象把電子加速到這么高的能量？或許是脈沖星造成的，這也將是很重要的發(fā)現(xiàn)?！狈兑恢姓f。
“我們現(xiàn)在還不知道這些結(jié)果代表什么，但是這些結(jié)果出乎我們意料，它們有潛力改變我們看待宇宙的方式。”自然科研中國區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致博士評價說。
目前，“悟空”運行狀態(tài)良好，已將全天區(qū)掃描了4次，共獲得35億個高能粒子，現(xiàn)在正持續(xù)收集數(shù)據(jù)中，一旦該尖銳能譜結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。
“悟空”的獨特設(shè)計
“悟空”武藝十分高強(qiáng)，它在“高能電子、伽馬射線的能量測量準(zhǔn)確度”以及“區(qū)分不同種類粒子的本領(lǐng)”這兩項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先。
中科院國家空間科學(xué)中心主任吳季介紹說，“美國費米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀設(shè)計的觀測能段只有幾百個GeV，再高能段置信度就不高了，‘悟空’正好彌補(bǔ)這一不足，在TeV以上開辟了一個新的窗口。”
利用“火眼金睛”，“悟空”可觀測GeV～10TeV范圍內(nèi)的高能電子和伽馬射線，這就要求單個探測器的動態(tài)探測范圍達(dá)到100萬倍。“換句話說，‘悟空’如果相當(dāng)于人的眼睛，就要看到一個兩米高的籃球運動員，同時還要看到運動員身上的血小板?！背＿M(jìn)說。
而且，“悟空”測量到的TeV電子的“純凈”程度最高（混入的質(zhì)子數(shù)量最少），能譜的準(zhǔn)確性更高。
“悟空”的十八般武藝，來自中國科學(xué)家特有的設(shè)計方案和中國工程師獨特的探測器制造技術(shù)。暗物質(zhì)衛(wèi)星工程總設(shè)計師艾長春告訴《瞭望》新聞周刊記者，當(dāng)初設(shè)計暗物質(zhì)衛(wèi)星曾經(jīng)有兩個方案，一個方案是將1415公斤的載荷（探測器）放在一個現(xiàn)成的衛(wèi)星平臺之上，衛(wèi)星的總重將超過3噸，換用更大型號火箭的費用就要增加五六千萬元；另一個是圍繞載荷布置服務(wù)系統(tǒng)的全新設(shè)計方案，僅增加了400多公斤就實現(xiàn)了完整的衛(wèi)星功能，使得載荷與整星的質(zhì)量比達(dá)到了73%。
“以載荷作為主體，熱控件、電源、結(jié)構(gòu)件等服務(wù)系統(tǒng)圍繞載荷進(jìn)行設(shè)計，這是我國衛(wèi)星第一次采用此種設(shè)計，這種設(shè)計在世界上也是少有的?！卑L春坦言，這樣設(shè)計有兩個問題——可靠性和熱平衡。探測器在火箭發(fā)射噪聲、震動非常大的情況下需要結(jié)構(gòu)可靠，而在載荷內(nèi)部，需要將探測器散熱控制在平衡、合理的狀態(tài)。
“我們把這個方案帶來的風(fēng)險提前識別解決，在方案階段設(shè)計了5項研究。其他衛(wèi)星在方案階段很少去做一個大型模型，但我們提前做了結(jié)構(gòu)模型星放到振動臺上試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了局部的裂紋，將這個薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)后，降低了衛(wèi)星設(shè)計時存在的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能風(fēng)險。初樣的研制生產(chǎn)過程中，也進(jìn)行了一系列的實驗，包括力學(xué)實驗、熱真空實驗等?！卑L春說，暗物質(zhì)衛(wèi)星在方案階段做了一年多，在衛(wèi)星研制的四年時間中，做方案時間看似長了點，但是非常值得。
硅陣列探測器的誕生
“悟空”由四個探測器組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO能量器和中子探測器。硅陣列探測器主任設(shè)計師彭文溪在得知“悟空”的發(fā)現(xiàn)后非常高興，“新發(fā)布的成果是對我們多年來攻堅克難、夜以繼日工作的最好回報?！?/p>
然而喜悅背后，彭文溪和他的導(dǎo)師王煥玉研究員承擔(dān)了常人難以想象的壓力。
“當(dāng)時我們兩個人頂著來自各方面的壓力，說實話，那時候我們幾乎都快崩潰了，每次開衛(wèi)星工程調(diào)度會都等著‘挨罵’。”年過花甲的王煥玉直言，暗物質(zhì)衛(wèi)星是他在參與航天工程的二三十年中，碰到的最棘手的項目。
“一般衛(wèi)星進(jìn)入初樣階段很少修改設(shè)計方案，但為了更好地實現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，2013年初團(tuán)隊決定修改硅陣列探測器方案，并引入國際合作團(tuán)隊?！迸砦南嬖V記者，從2013年重新設(shè)計方案到2015年底發(fā)射只有三年時間，重新設(shè)計方案并研制出上天的產(chǎn)品，很多專家認(rèn)為這是不可想象的事情。
據(jù)介紹，硅陣列探測器包含了73728路精密的硅微條探測單元，每路微條只有一根頭發(fā)絲粗細(xì)，要緊密拼接成12塊、每塊約0.6平方米的探測器陣列。
同時，它還配備了一套“超強(qiáng)大腦”——讀出電子學(xué)系統(tǒng)，要同時收集、處理7萬多路信號，還具備供電、狀態(tài)監(jiān)控、通訊等功能。而且硅陣列探測器整體功耗不能超過85瓦，平均一個通道才1.1毫瓦，作為一個新的航天產(chǎn)品來說，其設(shè)計和研制難度可想而知。
“我們的研制計劃是按照整個衛(wèi)星工程的時間來定的，立下了軍令狀，就必須按時完成產(chǎn)品的交付，不然就會拖整個工程的后腿。我們的副主任設(shè)計師張飛在設(shè)計階段，曾因為壓力太大，在辦公室待了好幾天都沒回家?！迸砦南锌?。
人造衛(wèi)星的研制一般分為方案階段、初樣階段、正樣階段、發(fā)射應(yīng)用四大階段。在正樣飛行件交付前，彭文溪團(tuán)隊一直處于四個探測器工程進(jìn)度中墊底的位置。有人開玩笑說，“暗物質(zhì)衛(wèi)星能不能按時發(fā)射，就看硅陣列探測器啥時候交付了?！?/p>
2013年春天，其他探測器分系統(tǒng)都開始進(jìn)入初樣研制生產(chǎn)階段，而硅陣列探測器剛完成初步設(shè)計；2014年秋天，其他分系統(tǒng)都由初樣轉(zhuǎn)入正樣研制階段，而彭文溪團(tuán)隊一邊要繼續(xù)完成初樣試驗，一邊還要組織開展正樣研制工作。
壓力并不止這些。在國際合作研制過程中，也出現(xiàn)了各種意想不到的困難。如初樣階段，原計劃在意大利開展熱真空試驗，結(jié)果花了20天時間，不僅真空度達(dá)不到、試驗溫度也一直降不下去。當(dāng)時時間非常緊張，彭文溪趕緊聯(lián)系了北京的航天試驗設(shè)備，回國才把試驗順利完成了。
在正樣研制階段，國外的探測器組件制造遭遇了“質(zhì)量門”。按照技術(shù)要求，硅陣列探測器的壞通道數(shù)最多不能超過2%。結(jié)果探測器組件剛開始組裝，就出現(xiàn)了1%的通道損壞。國外專家初步找到了原因，制定了修復(fù)方案，但質(zhì)量上可能有風(fēng)險，而且進(jìn)度也沒有保障。王煥玉和同事不得不抽身前往歐洲，在國外待了3個月監(jiān)督、協(xié)助完成測試工作。
2015年12月17日，王煥玉、彭文溪在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心見證了“悟空”的發(fā)射，像很多參研人員一樣，他們頭天晚上也激動得難以入眠。
彭文溪告訴記者，未來“悟空”將要繼續(xù)運行至少1年，之后還會根據(jù)衛(wèi)星狀態(tài)開展延壽工作。作為載荷研制單位，他們將繼續(xù)為“悟空”未來在軌的正常運行提供技術(shù)支持?！?/p>
來源：《瞭望》新聞周刊 2017-12-02
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