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2016盘点:“悟空”腾霱 打开宇宙一扇窗

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  ■编者按:2016年是群星闪耀的一年,也是突破深渊的一年:“悟空”、实践十号、“墨子号”成功发射,“潜龙”“海斗”潜入万米深渊。中科院人仰望星空,俯探深海,完成了一系列重大科学探索,产出了一大批重大科研成就。年终岁末,请随着我们的记录,再次重温那些令人激动的时刻。

  ■记者 陆琦

  在太空遨游不到一年,“悟空”发回的粒子数据就够每个中国人“分配”到一个了。

  2015年12月17日,中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射基地成功发射升空,用它的“火眼金睛”帮助科学家寻找披着“隐身衣”的神秘暗物质。

  正常运转353天,飞行5382轨,姿态稳定,已完成全天区覆盖,共探测宇宙射线约16亿个。这是截至记者发稿时,“悟空”交出的一份完美成绩单。

  看着“悟空”画的“圆弧”进入新年

  事实上,“悟空”的完美表现甚至出乎科学家们的预料。4个有效载荷中,塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器都100%正常工作,硅径迹探测器99.85%正常工作,也大幅度优于原定的97.5%的指标。

  尽管如此,“悟空”研究团队也不敢稍有懈怠。他们不断优化在轨标定的方案,以尽量短的时间实现对探测器各子探测器的可靠标定,并充分利用这些数据加快对物理事例重建软件的研发。

  对于暗物质卫星地面科学应用系统副总设计师、中科院紫金山天文台研究员范一中而言,2016年的猴年春节特别而难忘。

  “为了能与家人团聚,过年前那段时间整个团队爆发出了惊人的潜力。”范一中回忆说,“凌晨两点,数据处理中心各个岗位座无虚席。第二天一早到办公室,有几位同事还在工作,有的同事就缩在办公椅上休息。”

  凭着这股劲头,年轻科学家们终于在大年二十九如期完成了各自的软件升级任务,陆续回乡过年。

  人歇计算机集群不能歇。大年三十,暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进带头留守在办公室值班,接收、检查、处理数据,和同事们一起吃年夜饭。尽管少了与亲友团聚的欢乐,但在他们看来,看着“悟空”在屏幕上画着大大的圆弧进入农历猴年,另有一份浓浓的情意。

  随着时间推移,“悟空”的表现也越来越好。等到3个月的在轨测试结束后,对于它的表现,所有参与评审的专家都打了100分。“这在卫星测试中是非常少见的。我们准备的几百种‘应急方案’都没用得上。”暗物质卫星地面科学应用系统总设计师、紫金山天文台研究员伍健说。

  朝五晚十的“中央厨房”

  如今,地面数据接收、物理事例重建、处理分析等各项工作已经进入常态。“悟空”每天绕着地球转15圈,每圈4万多公里,一天下来跑60多万公里。当它路过三亚、喀什、密云等地面数据接收站时,还要汇报工作,将观测数据传回。这些数据先是汇总到北京怀柔的地面支撑系统,经过简单处理后,再传到紫金山天文台的科学应用系统。

  对于科研人员来说,这些被称为1B的数据是最好的“食材”。而紫金山天文台的科学应用系统好比是中央厨房,“悟空”不断输送过来的数据“食材”,将在这里被加工成可供研究人员应用的高级物理信息。

  早上五六点钟开始看遥测参数是否正常,8点看前一天的卫星观测科学数据是否正常,接下来开始标定和重建数据,直至晚上10点半结束一天的工作。这就是“中央厨房”每天的工作时间表。

  李翔博士是“中央厨房”里22个监控人员之一。“我们每天一个人轮班,通常处理完前一天的数据需要10多个小时,工作到晚上10点多是非常正常的。”李翔告诉《中国科学报》记者,数据的标定和重建实际上是相当复杂的过程。

  “悟空”每天传送回来500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,光子的数量还要少很多。因此,要想研究电子和光子的分布,必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的信息。

  自从“悟空”上天之后,常进就养成了一个习惯:早上醒来必须查看值班人员发来的对前一天卫星数据的总结报告,每晚只有查看完当天已下载数据的完整情况以及实时处理情况后才能入眠。

  打开新窗口的“中国力量”

  由于暗物质可能存在于任何区域,“悟空”头两年将对全天扫描,探测暗物质存在的方位。两年后,根据全天区探测的分析结果,它将对暗物质最可能出现的区域开展定向观测。

  常进一再告诉研究团队:“空间项目有太多的不确定因素,而且卫星运行一天的费用高昂,一定要珍惜所有的观测数据,最大可能地发掘其潜能。”

  完成标定和重建的1B数据成了被称为“2A”的高级数据。这些数据会分发到由上百个科学家组成的“DAMPE合作组”进行数据分析。其中,既有来自中科院紫金山天文台、中国科学技术大学、中科院兰州近物所、中科院高能物理所的中国科学家,还有来自瑞士日内瓦大学、意大利佩鲁贾大学和巴里大学等的国外合作者。

  经初步分析,“悟空”在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面都取得了重要进展,全面实现或超过了设计指标。

  “目前看来卫星所获得的数据都是非常扎实的,未来对于暗物质存在的确认或否认都非常有意义。”中科院院士景益鹏表示,随着数据的不断累积,希望在不久的将来能够获得突破性成果。

  为了能够早日发表来自“悟空”的首批科学成果,整个研究团队正在紧张地工作。“暗物质探测是我们的主要科学目标,但我们的主要工作目标是卫星正常工作、探测器标定正确,这样就能保证我们打开一扇观测宇宙的新窗口,必然会有新发现。”常进说。

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进:

  揭开暗物质的神秘面纱

  大量的天文学观测表明,我们所生存的宇宙中由质子、中子等构成的所谓普通物质,例如恒星、行星、星际气体和尘埃,占宇宙总能量的份额仅约5%;约占27%的暗物质和约占68%的暗能量,占了宇宙组分的绝大部分。

  因此,理解暗物质和暗能量问题,是我们认识宇宙的迫切而不可跨越的任务。暗物质和暗能量的问题是当代物理学面临的重大问题,在这两个问题上的突破将可能引领21世纪的物理学发展。

  现有研究表明,暗物质很可能是一种超出标准模型、参与弱相互作用的重粒子。它们自身以及和普通物质的相互作用很弱,因此往往表现得很“暗”。然而,正是这种弱相互作用带给了我们探测到暗物质粒子的希望。如果我们制造出足够精密的仪器,便有可能抓住非常稀有的暗物质相互作用事件。

  随着探测器技术的发展,今天我们已经可以在地下实验室实现非常低本底的直接探测——测量暗物质粒子和探测器的碰撞作用,在空间进行大接受度高分辨率的间接探测——测量暗物质粒子自湮灭或衰变的遗迹。

  目前,世界上有数十项实验通过直接或间接的方法探测暗物质粒子。随着灵敏度逐渐提升,暗物质粒子的剩余参数空间越来越小,人类或许很快就将揭开暗物质的神秘面纱。

  2015年12月17日,中国发射了第一颗空间天文卫星——“悟空”号暗物质粒子探测卫星。“悟空”的首要科学目标就是,通过高精度测量宇宙射线电子和伽马射线的能谱及空间分布探测暗物质湮灭或衰变的遗迹。“悟空”卫星搭载的科学仪器具有3个世界之最:最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领,因此有望在暗物质间接探测中取得重要成果。

  “悟空”卫星各探测器工作状态良好,每天平均观测约500万个高能粒子。截至目前,仪器已正常运转3百多天,共探测到宇宙射线事件约16亿个。现在我们在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面的研究进展良好,全面达到或超过了设计指标。2017年初,我们将正式发布“悟空”的首批科学成果。

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