探索宇宙之谜：暗物质粒子探测卫星“悟空” | 科学史

编者按：8年前的今天，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射成功。作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星，“悟空”号利用其最精密和最高效的探测能力取得多项暗物质粒子间接探测实验重要成果，这标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。

除了繁星，太空中还有什么？千百年来，人类都在追问这个问题。随着现代物理学的发展，科学家们提出了一种理论：宇宙中存在着一种无法直接观测，但能干扰星体发出光波或引力的神秘物质——暗物质。（ 那么，什么是暗物质？如何找到它？找到它有啥用？点击链接→ 小编用一张图告诉你答案 ）

虽然无法被直接探测到，但暗物质的存在感却很强，其占据了约26.8%的宇宙总物质量，而人类可见的普通物质只约占4.9%。科学家推测，暗物质很可能与宇宙的起源、演变、结构等重大问题息息相关。因此，解开暗物质之谜也许会让人类科学实现巨大飞跃。

为了探索暗物质，人类发射了不少探测装置，其中一枚探测器格外优秀，有许多重要发现，它就是中国于2015年12月17日成功发射的暗物质粒子探测卫星——“悟空”号。它是中国科学院空间科学战略性先导科技专项（以下简称空间科学先导专项）所支持的空间科学卫星系列的首发星，也是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星。

▲图1 2015年12月17日，搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空。新华社记者金立旺 摄

“悟空”号是如何工作的？目前主流的科学理论认为，暗物质可能是一种“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）。组成宇宙的绝大多数粒子都有反粒子，因而科学家们据此推测WIMP应该也有。当WIMP与其反粒子发生湮灭或自身发生衰变时，就会释放出伽马射线和高能电子，而只要捕捉到这些，就有可能抓住暗物质的影子！

▲图2 “悟空”号电荷谱: 500GeV能段（左）和5TeV能段（右）（图源中国科学院紫金山天文台）

虽然其他天体也会释放此类信号，但若识别到了全新的伽马射线和高能电子，就极有可能是暗物质释放出的。这就要求暗物质粒子探测卫星要能精确鉴别粒子和测量能量，“悟空”号就在此方面实现了突破。

“悟空”号共有75916路信号通道，是我国在太空飞行的电子学方面最复杂的卫星。“悟空”号是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器，可以精确测量各种物理量，给出更有价值的关键数据。得益于这些高精尖技术，“悟空”号能够清晰地分辨出流量差异大的各种高能粒子，并准确地测出其物理参数，实现最精密和最高效的探测。截至2022年12月17日，“悟空”号已探测到130亿个高能粒子，取得了多项成果：

• 精确测量40 GeV-100 TeV能段宇宙射线质子能谱，以高置信度揭示质子能谱在14 TeV处的变软拐折行为，推断可能是邻近宇宙射线加速源留下的印记；

• 精确测量70 GeV-80 TeV能段宇宙射线氦核能谱，以高置信度揭示氦核能谱在34 TeV处的变软拐折行为。氦核能谱和质子能谱结构体现出高度相似性，表明其具有共同的物理起源；

• 精确测量10 GeV/n-5.6 TeV/n能段硼碳比例和硼氧比例能谱，揭示出二者在100 GeV/n处的显著拐折行为，意味着高能段宇宙射线传播速度比预想得更慢，对传统宇宙射线传播模型提出了挑战；

• 观测到2017年9月一次巨大日冕物质抛射事件导致的正负电子流量的福布斯下降行为，为理解宇宙射线在太阳系内的输运过程及其与太阳活动关系提供了新的数据……

这些成果对天文学、宇宙学和粒子物理学等领域产生了深远影响，不仅有助于推动中国空间科学的发展和创新，更为人类认识和理解宇宙提供了重要支持和参考。

▲图3 暗物质粒子探测卫星原理样机（图源中国科学院紫金山天文台）

其实，早在20世纪90年代，中国就开始着手进行暗物质粒子间接探测实验，并从2000年起逐步攻克各项疑难问题。中国科学院在这一过程中发挥了举足轻重的作用。

20世纪以来，重大基础前沿领域的科学发现越来越依赖于国家资助以及大型科学机构间的协同合作。在此背景下，中国科学院启动空间科学先导专项，旨在选择“最具优势和重大科学发现潜力”的科学热点领域，通过自主和国际合作科学卫星计划，实现空间科学领域的重大创新突破。

2011年，中国科学院空间科学战略性先导科技专项立项启动，中国科学院国家空间科学中心作为依托单位牵头组织专项实施。作为专项第一期部署的卫星“悟空”号，由中国科学院紫金山天文台负责有效载荷抓总研制，中国科学技术大学及中国科学院高能物理研究所、近代物理研究所、空间科学与应用研究中心参与联合研制，中国科学院微小卫星创新研究院负责卫星系统抓总并承担卫星平台研制任务。

研制过程中，中国科学家和工程师们突破多项关键核心技术，为中国未来空间探索提供了强有力的技术支持，也为其他领域发展提供了创新思路和方法。经过4年的创新攻关，中国科学家终于让“悟空”号飞入“天宫”，充分展示了中国科学院在推动前沿科学研究方面的重要作用和影响力。

▲图4 暗物质粒子探测卫星“悟空”号（图源中国科学技术大学）

“悟空”号原定的设计寿命为3年，但鉴于其状态稳定、表现完美，多次被“延迟退休”，不断发回更新数据。科学家们充分利用这些数据，有助于深入研究暗物质和其他宇宙现象，解决宇宙学中的重大问题。“悟空”号取得的系列成果，意味着中国科学院、中国科学家在持续深耕的基础科学前沿领域实现了重大突破，不仅彰显了中国在国际空间科学领域的影响力，更为未来空间探索提供了宝贵经验和技术储备。

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作者：王江山，系中国科学院大学人文学院博士后

来源：中国科学院大学