“悟空”號衛星載荷與科學團隊：打破頑冥須“悟空”

趙漢琪

當你仰望茫茫星海，當你感嘆宇宙浩瀚，有這樣一群年輕人，在這片遙不可及的星辰大海中尋找一種看不見、摸不著、變幻莫測的特殊獵物——暗物質。

2015年，暗物質粒子探測衛星（英文：Dark Matter Particle Explorer，縮寫：DAMPE，簡稱悟空號）橫空出世，填補了中國空間天文觀測空白，打開了高能宇宙線粒子直接探測、空間伽馬天文觀測的新窗口，開創我國空間高能粒子物理星載觀測新時代。

中國科學院紫金山天文臺“悟空”號衛星載荷與科學團隊的有為青年們，實現了眾多關鍵技術突破，短短四年完成“悟空號”工程研制并發射升空，對揭示暗物質的謎團和高能宇宙線起源與加速機制具有重大意義。

人類對暗物質的孜孜以求究竟能換來多少看得見摸得著的改變？對于這群年輕人來說，探索星河霄漢、打破認知壁壘，是他們投身科學的初心。他們前進的每一小步，都能照亮通往星辰大海的征程。

“火眼金睛”看太空

2015年12月17日，甘肅酒泉。長征二號丁運載火箭整裝待發，準備搭載暗物質粒子探測衛星“悟空”號發射升空。

“五、四、三、二、一，發射！”伴隨倒計時，“悟空”號踩著“七彩祥云”順利升空，踏上“取經”之路。它將在距地球500公里高的軌道上運行，用于探測高能粒子、能量和電荷。自發射至今，“悟空”號已探查40億個宇宙高能粒子。每天，它以繞地球15圈的速度行進60萬公里，努力為人類撥開暗物質迷霧。

“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠鏡?！敝袊茖W院院士、中國科學院國家天文臺臺長、暗物質衛星首席科學家常進說，“它有望深刻改變人類的宇宙觀，實現空間科學重大突破”。

“悟空”號的使命是尋找宇宙暗物質，那么究竟什么是暗物質？

常進介紹，宇宙中不發光的東西很多，有些能通過光學或電磁波觀測設備“看”到，但暗物質不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用，到目前為止，人們還不知道用什么方式能夠找到。

“雖然無法直接看到，但人類相信暗物質的存在。如果沒有這些物質，那宇宙中很多現象是無法解釋的?！庇钪嬷行窍颠\動速度之快、離心力之大，僅靠可探測的發光物質束縛不住?？茖W家推測，可見物質總質量大約只能占到宇宙總質量5%，另外95%都是不可見物質——暗物質和暗能量，其中暗物質可以占到宇宙總質量27%。

盡管聽上去，暗物質探測困難重重，但暗物質并沒有“暗”到無法被發現的地步，它的湮滅會放出伽馬射線、中微子和其他帶電高能粒子，這些蛛絲馬跡為暗物質的發現提供了理論依據。

目前，人類探測暗物質的方式主要分為三類：第一是對撞機探測，歐洲核子中心的大型強子對撞機居世界領先水平；第二是在地下進行直接探測，在我國四川雅礱江錦屏山隧道里，中國建成了世界上最深的地下實驗室；第三是間接探測，主要在空間進行。

“悟空”號衛星就是采用空間探測方式。物理學家們認為，暗物質粒子碰撞后會產生高能粒子，如伽馬射線、正負電子、正反質子、中微子等。暗物質衛星能精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質粒子存在的證據。

“悟空”號上天后，捷報頻傳。2016年，“悟空”號團隊得到中國首個GeV以上能段伽馬射線天圖，這展示了探測器的良好工作狀態，標志著中國在伽馬射線空間探測領域首次占有一席之地。

2017年，“悟空”號團隊在《自然》（Nature）雜志上發表了世界上最精確的TeV能段的電子宇宙線能譜，首次以高置信度揭示了電子宇宙線能譜在0.9TeV附近的拐折；同時，展示了1.4TeV附近一個可能的異常超出。這些成果引起全世界相關科學領域的轟動?？茖W（Science）雜志評論，“這些成果表明中國空間科學的崛起”。

2 0 1 9年，“悟空”號團隊在《Science Advances》雜志上發表了世界上能段最高的質子宇宙線直接測量能譜，首次揭示了在14TeV附近的拐折，對揭示高能宇宙線的起源與加速機制具有十分重要的意義。

2020年底，“悟空”號團隊完成氦核宇宙線能譜直接測量，進一步揭示了高能宇宙線的起源與加速機制。目前“悟空號”號狀態穩定，數據質量優異，為后續不斷產出重要科學成果奠定了堅實基礎。

在紫金山天文臺研究室的一面墻上，懸掛著“悟空號五周歲生日快樂”的橫幅。每年12月17日，團隊成員都會給“悟空”號慶祝生日?！按蠹叶己芟矚g這個名字”，團隊成員陳燈意說，“衛星發射前夕，通過公開征名和專家評選，選出這個名字，寓意通過悟空的火眼金睛捕捉到暗物質，幫助我們‘領悟太空”。

“悟空”號設計壽命為三年，如今它已經正常運行五年有余，是全世界目前在軌運行的同類探測設備中，探測能段最寬、本底鑒別能力最強、能量分辨最優的探測器。根據其狀態，團隊決定繼續延壽運行?！拔蚩铡碧査〉玫耐怀隹茖W成果，對于解開暗物質謎團和揭示高能宇宙線起源與加速機制具有重要意義。

“悟空”誕生記

“悟空”號從酒泉衛星發射中心升空后，常進馬不停蹄趕到西安和北京密云的測控中心監測數據。趕回南京后，他向在紫金山天文臺還沉浸在成功喜悅中的團隊成員潑了盆冷水：“還沒到享受成功的時候。衛星探測器是成功了，但科學家的任務還沒完成?！?/p>

在團隊眼中，常進是“悟空”的“師父”，他用二十多年時間上下求索，尋找探測暗物質的“眼睛”。

1992年，在中國科學技術大學碩士畢業的常進來到紫金山天文臺，在空間天文實驗室開展研究。剛過而立之年的他意識到，高能電子、伽馬射線是人類觀測宇宙的空白，在這個領域美、日等國早已遙遙領先，中國不能一味跟跑。在經費緊張的情況下，他用東拼西湊的儀器進行研究，提出一種新的電子宇宙射線探測方法。

1998年，常進在德國做訪問學者，得知美國要在南極開展一個宇宙射線觀測項目——ATIC。根據自己的新探測方法，常進認為 ATIC 完全可以在不改動硬件的情況下觀測高能電子和伽馬射線，這可能會讓自己的方法得到一個難得的驗證機會。幾經波折，他成功說服美國科學家把探測器送到瑞士加速器上試驗，結果證明他的方法完全可行。

兩年后，像足球場一樣大的ATIC氣球在南極升空，在離地面37公里的高空完成了人類對高能電子的首次觀測。分析數據后，常進意外地發現，觀測到的高能電子流量遠遠超出模型預計的流量。是儀器有問題嗎？常進和他的團隊花了一年多時間檢查儀器，用了很多方法證明儀器沒有問題。

于是，他本能地聯想到縈繞在他腦海中太久的詞——暗物質。此后幾年，常進與合作者不斷改進設備和觀測方法，又在南極進行了3次觀測。

從那時起，常進用了十年時間探索異常數據背后的真相。他把自己扔進無邊無際的浩瀚數據中，在他愛人眼里，他已經“走火入魔”，“每天嘴里都小聲嘀咕著，忽然來了靈感無論多晚馬上趕到實驗室”。

數據的異常究竟是否來自暗物質，還不能完全確認。氣球只要還在大氣層內，高能粒子與大氣碰撞就會產生大量“噪音”。要想看得更清楚，必須排除其他天體干擾，到太空去探測。

暗物質衛星探測器的想法，2002年就在他的頭腦里形成。他做了無數次試驗和計算，隨著技術的進步，不斷改進細節。2008年，常進作為第一作者在《自然》（Nature）雜志上發表文章，介紹有關宇宙高能電子異常的發現。這一發現被美國物理協會和歐洲物理協會評為當年世界物理學領域的重大研究進展。評論普遍認為，該觀測如果被證實，將是人類第一次發現暗物質粒子湮滅的證據。這引發了一輪國際探索暗物質的熱潮。

“很多人說他運氣好，一下就找到了捷徑，搭上了便車。但很少有人去想，一個中國普通研究員，不出一分錢的探測器，如何打動了一個國外主導的項目?！蔽榻〕３Ｓ羞@種感慨，他是常進的師弟，也是“悟空”號的科學應用系統總設計師。2008年，伍健離開丁肇中先生位于蘇黎世的研究團隊歸國，加入常進團隊。伍健回憶，當時在國際大型實驗中，如有科學發現，文章作者都是幾百人，中國科學家在其中也起不到主導作用，“按照姓氏首字母排序，我的W永遠在后面。而現在再辛苦，是做我們自己主導的科學研究！”

申請太空暗物質探測計劃立項的幾年間，常進、伍健等科學家還參與了載人航天和探月工程，對神舟系列飛船、嫦娥系列衛星的研發作出重要貢獻。

2011年，中科院受國務院委托，組織實施空間科學先導專項，發展中國的科學衛星，暗物質粒子探測衛星被列為其中之一。2011年項目成立之初，團隊成員平均年齡不足35歲，來自不同專業不同學校，只有兩位成員具有航天工程經驗。但“初生牛犢不怕虎”，他們努力學習航天工程的質量、軟件管理的規范要求，積極向航天專家請教，在實踐中積累經驗。

“常老師每次都最早來，周末也會到實驗室看看。每次看見他的身影，我們都覺得自己還是不夠努力?！焙圾Q是常進的學生，也是載荷結構分系統主任設計師。工作中的常進專注、嚴謹，生活中的他更像一位家中和藹的長輩?！八娴囊稽c架子都沒有，就想純粹地搞科研，這種精神也影響了我們很多人?！标悷粢膺@樣描述常進。榜樣的力量，潛移默化鼓舞團隊中每一個人。

“悟空”號團隊無疑是一個年輕的團隊，35名成員中博士學位27人、含院士1人，國家杰出青年基金獲得者2人，國家優秀青年基金獲得者3人，其他各類省部級以上人才計劃入選者6人。團隊平均年齡34.2歲，35周歲以下占62.8%。

作為這個年輕團隊的領頭羊，常進注重青年科研人員的培養，根據他們學歷層次高、知識面廣、思想活躍、接受新知識能力強的特點，利用組織生活、學術活動等多種形式教育引導，在他的影響和幫助下，青年科研人員迅速成長，在科研創新方面均作出顯著成績，成為暗物質粒子探測衛星項目的骨干力量。

賡續“五四”精神

“悟空”號看上去并不大，它的長寬高分別為1.5米、1.5米、1.2米，和一個冰柜差不多。從外表看，“悟空”從頂部到底部主要由塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器構成，4種探測器一層層組裝，這4個探測器各司其職，又聯合執行任務，可高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

體積雖小，但整個衛星的探測器有4.2萬路電子學讀出電路、168路高壓電源、接近8萬路探測器通道數，其復雜程度，超過我國地面最復雜的加速器實驗裝置。而要將所有探測器及其電子學安裝在一立方米空間內，技術難度超過我國目前所有的上天高能探測設備。

安裝完成的衛星整體質量為1.85噸，其中最核心的“悟空”的“眼睛”、即衛星的有效載荷——高能粒子探測器，重達1.4噸。

高能粒子探測器又稱BGO量能器，其包含308根縱橫交錯的晶體，這些特殊晶體每根60厘米長，2.5厘米見方，是我國自主研發的、世界最長的BGO晶體。這些晶體能夠測量入射粒子的能量，從而獲取宇宙粒子的蛛絲馬跡，每秒可以探測數百個宇宙線粒子，真可謂是“火眼金睛”。

每天清晨和傍晚，“悟空”號都會路過中國上空。位于北京密云、新疆喀什、海南三亞的三個數據接收站，每天接收它回傳的約16G數據?！拔蚩铡碧枅F隊要從日積月累的海量數據中分析出有價值的科學成果。

想要穿越這片數據海洋，并非易事。團隊需要輪班對衛星過境時的狀態進行監測，同時第一時間對衛星下傳數據進行處理和分析，單周工作時間超過100小時成為團隊的常態，數據分析軟件團隊也已進行近萬次優化。

在團隊成員岳川眼里，看似枯燥的數據分析工作也是一種挑戰?！坝袝r也會迷茫和疲憊，但大家一起齊心協力攻克難關的成就感，也很吸引人”，他說。

2017年12月的一天，晚上11點，岳川在觀測遙測數據時率先發現遙測數據異常，“悟空”號仿佛突然“失明”。19個小時的爭分奪秒，每個成員都各司其職、分工協作，及時找出“病因”——可能是太空中的粒子擊中它身上攜帶的某臺計算機，導致計算機自動重啟。經過一系列復雜調整指令，信號最終重新連接，“天地大營救”取得成功。

“空間科學項目十分復雜，一個人作用有限，要靠集體才能產生更大的能量?！泵鎸σ粋€以青年為主的團隊，常進尤其重視團隊的愛國主義教育，他把黨團活動引入實驗室，始終把傳承和發揚“五四”精神，作為塑造團隊文化的重要環節。他要求青年科研工作者在國家重大工程中，團結努力，在普通崗位上拼搏奉獻。從一開始只有兩人有航天工程經驗，到如今35人精細高效的運作，“五四”精神早已厚植與團隊文化中，形成“團魂”。

常進曾于2004年獲得“江蘇青年五四獎章”，2019年，團隊成員胡一鳴再次獲此殊榮。團隊于2020年獲“江蘇青年五四獎章集體”，今年被評為“中國青年五四獎章”集體，默默奉獻的青年科學工作者們在平凡的崗位上勇挑重擔，書寫不平凡的篇章，五四精神在這個年輕的團隊中賡續傳承。

總有些人的征途是星辰大海。談及使命和擔當，團隊成員提及最多的是熱愛祖國、勇挑重擔、敢于創新、當仁不讓。2015年，“悟空”號實現中國天文衛星零的突破；2017年，團隊承擔的中國首顆太陽衛星獲批立項；2021年，團隊已開始下一代暗物質衛星關鍵技術攻關。

“悟空”號團隊這群年輕人，對祖國科技事業發展有著美好的期待和憧憬。他們以初心之力，一如既往地探索、維護，繼續堅守空間天文陣地，為中國空間天文的持續進步貢獻力量。