悟空”寻找暗物质

    2015年12月17日，这个日子注定将被载入我国科学大事件日。我国空间科学系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”，带着寻找宇宙中暗物质粒子的使命，由长征二号丁运载火箭发射进入太空。对世界而言，“悟空”的研制、发射、运行，标志着我国正式加入到竞争激烈的空间科学探索的大国行列，并为世界空间天文研究注入了新的活力与动力。

暗物质是什么

    从宇宙大爆炸理论产生以来，天文学家就一直致力于测量由于引力引起的宇宙膨胀变慢的速度。然而，随着具有强大观测功能的天文望远镜的诞生，科学家在观测中发现了奇异的现象，这就是宇宙膨胀非但没有变慢，反而是在加快。这怎么可能呢？宇宙正在加速膨胀这一事实，颠覆了科学家先前所有的预言，而且，天文学家发现，银河系里观测到的成千上万颗恒星的速度要大于理论上的速度。这表明，宇宙中可能存在我们还没有“看见”的物质，即暗物质，它们通过引力效应影响了可见物体的运动。由此，科学家不但确定了暗物质的存在，而且，还确定暗物质与引力相关。

    何为暗物质？科学家解释说，暗物质从未被人直接观测到，但有根据表明，它确实存在，甚至每一分每一秒都有无数暗物质穿透我们的身体，天文学家根据引力效应甚至估算出，暗物质和暗能量占了当今宇宙总能量密度的95%，其中，暗物质占27%，暗能量占68%，可以说，它是隐藏最深、也是数量最庞大的“宇宙忍者”。国际上普遍认为，揭开暗物质之谜，将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次根本性科学变革。

    科学家们认为，当前是暗物质研究史上最激动人心的时代，未来的10年至20年将是探测暗物质的黄金时代。无论是欧洲核子中心的大型强子对撞机、国际空间站上的阿尔法磁谱仪，还是美国宇航局的费米太空望远镜，都在努力寻找这种神秘粒子的蛛丝马迹。

为什么要找暗物质

    暗物质在宇宙中的存在，虽然已经得到大部分科学家的承认，但却无法用已有的理论模型来解释，需要寻找更多的证据。

    之前，人们无法想象这种看不见摸不着的物质在宇宙中竟占有95%的比重，假如这种新的理论被科学证实，就意味着我们所熟悉的这个世界，只是零星散布在宇宙中的小小点缀，如同大海中的一滴水，而在宇宙中占比如此大的东西，人类却一无所知。因此，暗物质被科学界普遍证实存在，已经给人们的观念带来了巨大的冲击，如果在暗物质性质的研究方面有任何突破性进展，那将会带来不可估量的科学影响。科学家相信，通过探索“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来，人类最终一定能够了解宇宙的起源。

    中国科学院院士武向平说，找到主宰宇宙命运的暗物质粒子和确定暗能量性质，是这个世纪物理学最重大的发现。

怎样找暗物质

    既然暗物质“雁过不留痕”，那么人类如何证实暗物质的存在呢？中科院微小卫星创新研究院、暗物质粒子探测卫星工程卫星系统总师李华旺说，科学家现在通过三种方法来探测它的存在，一是进行加速器试验。通过大型强子对撞机模拟宇宙大爆炸时的高能量，来寻找暗物质粒子。二是为了避免干扰，在地下深处安装探测器，通过探测暗物质与其他物质的作用，寻找暗物质粒子的存在。这是两种直接寻找的方式。第三种就是进行空间探测的间接寻找方式，通过探测暗物质与暗物质之间的相互作用，来间接发现其是否可能产生明物质。此次发射的“悟空”星，就属于第三种方式。

    近年来，科学家在间接法实验方面已取得很大进展。或许距离破解暗物质这个宇宙谜团只有一步之遥了。现在，科学家更迫切需要一种更新型的高分辨的大型空间探测器，来帮助他们更深入地研究太空。

    “悟空”正是这样的一个大型空间探测器，它拥有高科技的“火眼金睛”，将替代人类的眼睛，在浩渺的宇宙中，寻找我们生存世界里失踪物质的踪迹。“悟空”首席科学家常进说，“悟空”的体积虽然比一张办公桌大不了多少，像一个倒立的四层蛋糕，但其有效载荷属于大型空间高能设备，共包含近8万路电子学信号通道，是迄今为止观测能断范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子卫星探测器。卫星从顶部到底部主要由四大科学探测有效载荷组成，分别是：塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器。

    这颗科学卫星的研制于2011年立项，中科院承担全部研制、生产工作。中国科学院国家空间科学中心负责暗物质粒子探测卫星工程大总体工作，中科院微小卫星工程中心负责研发卫星平台，紫金山天文台、中国科大等单位承担探测器物理数据处理软件开发。常进说，“悟空”将在轨飞行三年，高度约500千米，每天平均观测500万个高能粒子，每天传回的数据量约16G。我们通过大量数据就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布着，假如不是，科学家就需要解释为什么会这样。

    他进一步说，人类的每次“第一次”观测，都可能有许多预见不到的科学发现，如质子衰变实验发现了天体中微子。期望暗物质粒子卫星的“第一次”观测，能够发现许多人类未知的“第一次”，实现空间科学的重大突破。

    空间科学卫星工程常务副总指挥、中国科学院国家空间科学中心主任吴季说，我们要成为航天强国，就不能没有自己的空间科学卫星和科学卫星系列。作为我国迄今为止最大的空间科学卫星计划，空间科学先导专项，将致力于在最具优势和最具重大科学发现潜力的科学热点领域，进行重大科学研究活动，随着科学卫星的不断发射，我国正在稳步迈入航天强国行列。（本报酒泉12月17日电 本报记者 金振蓉）