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悟空|中国科学院紫金山天文台“悟空”号卫星载荷与科学团队：仰望星空的奋斗者

悟空 卫星 科学 团队 发射 宇宙 载荷 探测 粒子 胡一鸣

【悟空|中国科学院紫金山天文台“悟空”号卫星载荷与科学团队：仰望星空的奋斗者】在我们身边 ， 每时每刻都有无数暗物质粒子穿越人体和其他物质 ， 看不见摸不着 。 宇宙中约分布着27%的暗物质和68%的暗能量 ， 人类所感知的浩瀚星海 ， 只占剩下5% 。 隐藏宇宙是什么模样？
一群仰望星空的年轻人 ， 探寻来自暗物质的蛛丝马迹
距离地球500公里的轨道上 ， 我国第一颗天文卫星“悟空”号以日行65万公里的速度 ， “捕捉”着四面八方的宇宙射线 。 在中科院紫金山天文台 ， 有一群仰望星空的年轻人 ， 日夜兼程“破译”蕴藏在宇宙射线中的密码 ， 探寻来自暗物质的蛛丝马迹 。
“科学家主要有三种方法探测暗物质：利用加速器 ， 将暗物质粒子‘创造’出来；在地下布好‘靶子’ ， 等暗物质粒子撞击留下可见粒子的影子；到茫茫太空中 ， ‘捕捉’暗物质粒子湮灭或衰变后的痕迹 。 ”“90后”特别研究助理岳川介绍 ， “悟空”采用的是第三种方法 。
2015年12月16日晚上8点 ， 酒泉卫星发射中心 ， 距卫星发射还有12小时 ， 火箭燃料已加注完毕 。 当年33岁的副研究员胡一鸣登上发射塔架 ， 开始最后几小时的星箭维护 。 “心里特别紧张 ， 又特别激动！”他这样形容当时的心情 。
本打算到现场观看发射的载荷工程师陈灯意 ， 临时接到指令 ， 进行发射前的载荷监控 。 在卫星内部 ， 4个载荷从上到下组装在1立方米的空间中 ， 如同一个4层的银色蛋糕 。 眼前的监测屏幕上 ， 数据平稳闪动着 。
“载荷正常！”“卫星正常！”“3、2、1 ， 发射！”
13分钟过去 ， 卫星张开“翅膀” ， 开始接收太阳辐射——发射成功了！看不到发射现场的盛况 ， 听不到指挥大厅的掌声 ， 但他知道许多人都在等待这一刻 ， 眼泪禁不住地往下流 。
要想看得更清楚 ， 必须到太空去探测
宇宙高能粒子穿透性强 ， 被探测器的载荷“打碎”成大量次级低能粒子 ， 才能被“拦截”下来观测 。 载荷“蛋糕”第三层的BGO量能器 ， 有308根60厘米长、2.5厘米宽和高的晶体 ， 可将粒子转换成荧光光子进行测量——这是“悟空”的一项看家本领 。
“套筒要制得笔直 ， 光电倍增器要装得精确 ， 两根头发丝的误差就可能导致失败 。 ”陈灯意透露团队的秘诀：首先要大胆创新 ， 他们首次尝试用碳纤维材料减重 ， 让载荷比高达1∶9；又得细心缜密 ， 晶体脆弱易碎 ， 只能一次集成 ， 没有纠错的机会；还得考验毅力 ， 小组从早上9点工作到凌晨两点 ， 一干就是一个月 。
对胡一鸣来说 ， 除了发射成功 ， 另一个幸福时刻出现在2014年 。 欧洲核子中心宣布 ， 第一次将中国卫星束流试验项目纳入认证名录 。
紫金山天文台研究员、暗物质卫星首席科学家常进院士 ， 早在2008年就曾参与南极气球项目 ， 研究空间探测高能宇宙射线粒子 。 但气球飞得再高也还在大气层里 ， 高能粒子与大气碰撞就会产生大量“噪音” 。 要想看得更清楚 ， 必须到太空去探测 。
2011年 ， 暗物质粒子探测卫星正式立项 。 胡一鸣在常进的带领下 ， 参与了4次束流试验 。 这是“悟空”上天前的大考 。 团队将等比例缩小的原理样机运往欧洲 ， 在极其有限的时间窗口内 ， 通过争分夺秒的数据测算 ， 考察探测器的可靠性与灵敏度 。
“那个中秋节期间 ， 我们72小时不眠不休坚守试验现场 ， 完成了一系列高能粒子束流标定 ， 显示探测器技术指标达到国际先进水平 。 ”胡一鸣回忆 ， 标定成功后 ， 大家累得倒头睡了两天两夜 。
坚守初心、奋斗进取 ， 年轻的他们使命在肩
“悟空”上天后 ， 每天传送回500万个粒子信息 。 其中 ， 暗物质的“候选者”电子不到千分之一 。 而且 ， “悟空”有7万多路电子学信号通道 ， 这个“沙里淘金”的过程 ， 如同“7万多个盲人在摸象” 。
岳川介绍 ， 如此庞杂的“翻译”过程 ， 靠人海战术远远不够 ， 需要开发软件来实现自动化、批量化完成——首先把二进制信号转换成可读信息 ， 将每个“盲人”的感觉统一标准 ， 然后将大家摸到的部分拼凑到一起 ， 构建出粒子的模样 ， 最后挑选出仅占千分之一的高能电子 。
为了提高准确率 ， 分析软件已修改了约8900次 。 “团队成员来自天文、物理、工程等不同领域 ， ‘翻译’成什么形式、如何表述、怎样存取 ， 每次都要激烈讨论 。 ”副研究员李翔说 ， 一次次交流碰撞中 ， 方案优化完善逐渐形成 。
日复一日的“解码” ， 让团队有了新发现——电子宇宙线在1.4万亿电子伏特的超高能谱段突然出现剧烈波动 ， 呈现一个疑似尖峰 。 “如果该结构最终被证实 ， 则表明此处有一个全新的物理现象 。 ”李翔解释 ， 虽然还无法断定这就是暗物质踪迹 ， 但可能是离暗物质最近的重要迹象 。
借助“悟空”的火眼金睛 ， 团队还绘制出伽马射线天图 ， 搜寻可能深藏的暗物质踪影 。 “盯牢‘悟空’的同时 ， 我们也在准备着下一代暗物质粒子探测卫星的研制 。 ”胡一鸣说 。
今年 ， 平均年龄不足35周岁的“悟空”号卫星载荷与科学团队荣获“中国青年五四奖章集体” 。 坚守初心、奋斗进取 ， 年轻的他们使命在肩 。
暗物质和暗能量未来能给人类带来什么 ， 是现在所无法想象的 。 拨开“27%”的面纱、探索隐藏宇宙的奥秘 ， 这支青春的队伍步履不停、勇往直前 。

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