愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“宇宙中最不可理解的事是，宇宙是可以理解的。”在浩瀚無(wú)垠的宇宙中，目前能被人類(lèi)觀(guān)測到的部分只有5%，還有95%看不見(jiàn)摸不著(zhù)的部分是暗物質(zhì)和暗能量。

　　2015年12月，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星發(fā)射升空，這是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰略性先導科技專(zhuān)項的首發(fā)星，也是中國發(fā)射的首顆天文衛星，由中科院微小衛星創(chuàng )新研究院抓總研制，中科院多家科研院所共同參加有效載荷、科學(xué)應用系統等工程項目研制工作。中科院紫金山天文臺（以下簡(jiǎn)稱(chēng)紫金山天文臺）是“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星的首席科學(xué)家單位和項目發(fā)起單位。

　　“我們探索暗物質(zhì)的道路才剛剛開(kāi)始，還會(huì )有越來(lái)越多的好消息傳來(lái)。”這是暗物質(zhì)粒子探測衛星首席科學(xué)家、紫金山天文臺臺長(cháng)、中科院院士常進(jìn)經(jīng)常掛在嘴邊的一句話(huà)。

　　近日，暗物質(zhì)粒子探測衛星和科學(xué)研究入選中科院“率先行動(dòng)”計劃59項重大科技成果及標志性進(jìn)展之一。

　　來(lái)自中國的建議 

　　太陽(yáng)繞銀河系中心旋轉一周所需的時(shí)間是2.3億年，要把太陽(yáng)固定在這樣的圓周軌道上運動(dòng)需要向心力，產(chǎn)生這樣的向心力需要太陽(yáng)軌道內包含大約1011倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，而可以觀(guān)測到的恒星和氣體的質(zhì)量只有大約一半。

　　“由此可見(jiàn)，還有一些不可見(jiàn)的物質(zhì)貢獻了更強的引力，這些物質(zhì)可能是暗物質(zhì)。”常進(jìn)以太陽(yáng)的運行為例向《中國科學(xué)報》介紹道，“暗物質(zhì)是宇宙的主要組成成分之一，約占宇宙總份額的1/4，對暗物質(zhì)物理本質(zhì)的認識將突破現有的物理學(xué)框架，打開(kāi)新的物理世界大門(mén)。”

　　近年來(lái)，探測暗物質(zhì)粒子已成為一項重大科學(xué)問(wèn)題，世界各國正在不遺余力地通過(guò)各種手段開(kāi)展暗物質(zhì)探測研究。

　　早在20世紀末，紫金山天文臺的空間天文團隊就開(kāi)始從事空間間接探測暗物質(zhì)的研究。1997年，美國宇航局在南極開(kāi)展了一項名為ATIC（先進(jìn)薄電離量能器）的氣球探空項目，用來(lái)觀(guān)測宇宙線(xiàn)。當年，常進(jìn)從這個(gè)項目中敏銳地發(fā)現了問(wèn)題：“ATIC只觀(guān)測宇宙線(xiàn)，有點(diǎn)浪費呢！”

　　于是，遠在中國的常進(jìn)給ATIC項目首席科學(xué)家發(fā)出一封建議郵件，并通過(guò)自己的反復演算和證明，最終說(shuō)服對方使用自己團隊研發(fā)的觀(guān)測高能電子和伽馬射線(xiàn)的新技術(shù)方法。2000年底，重達兩噸的ATIC觀(guān)測設備在南極升空，在距離地面37公里的高空，成功實(shí)現了對高能電子的觀(guān)測。

　　在常進(jìn)的建議下，ATIC項目誕生了一項最有價(jià)值的發(fā)現——宇宙射線(xiàn)正負電子在高能段超出天體物理背景模型。

　　2008年11月，一篇題為《3000億~8000億電子伏特能量區間的宇宙射線(xiàn)電子“超”》的文章發(fā)表在《自然》上，報道了科研團隊第一次發(fā)現宇宙高能電子異常，常進(jìn)是論文的第一作者。

　　隨后，常進(jìn)發(fā)現：“氣球實(shí)驗觀(guān)測時(shí)間短、數據量較小，殘余大氣導致的系統誤差也比較大，因此對該正負電子‘超’的本質(zhì)無(wú)法給出準確的答案。”為此，他帶領(lǐng)團隊想到發(fā)射空間衛星進(jìn)一步改進(jìn)測量，以期在電子觀(guān)測以及暗物質(zhì)探測方面取得突破。

　　將想法變成現實(shí) 

　　基于南極氣球實(shí)驗以及前后開(kāi)展的載人航天、探月等一系列項目中積累的技術(shù)經(jīng)驗，在中科院“率先行動(dòng)”計劃的支持下，2011年12月空間科學(xué)先導專(zhuān)項暗物質(zhì)粒子探測衛星正式立項，2015年12月，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星成功發(fā)射。常進(jìn)帶領(lǐng)中科院暗物質(zhì)粒子探測衛星和科學(xué)研究團隊僅用了4年時(shí)間就將想法變成現實(shí)，實(shí)現了中國空間天文衛星零的突破。

　　常進(jìn)從小喜歡物理，本科選擇了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理專(zhuān)業(yè)。1992年來(lái)到紫金山天文臺后，他開(kāi)始從事空間探測研究。為何要“轉行”？他的回答是：“空間探測是以近代物理的研究為理論基礎，只是把實(shí)驗從地面搬到太空。”

　　中科院微小衛星創(chuàng )新研究院研究員李華旺是暗物質(zhì)衛星系統總設計師，他告訴《中國科學(xué)報》，暗物質(zhì)衛星絕大部分工作是由國內科研單位完成的。

　　其中，暗物質(zhì)衛星的探測器研制單位包括紫金山天文臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院高能物理研究所、中科院近代物理研究所和中科院國家空間科學(xué)中心；衛星平臺由中科院微小衛星創(chuàng )新研究院研制；載荷所用的BGO晶體材料由中科院上海硅酸鹽研究所研制。

　　在國際合作方面，瑞士日內瓦大學(xué)和意大利佩魯賈大學(xué)參與了硅徑跡探測器的研制。當前正在從事的數據分析和科學(xué)研究工作，也由中國、瑞士和意大利等數家單位的科研人員組成的分析團隊聯(lián)合開(kāi)展。

　　紫金山天文臺是有效載荷總體及科學(xué)應用系統所在單位，負責有效載荷的總體設計和研制，具體承擔了4個(gè)子探測器中的2個(gè)，即BGO量能器和中子探測器的研制（BGO量能器主任設計師單位是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)），并且承擔了地面科學(xué)應用系統的建設等工作。

　　“悟空”發(fā)射升空后，常進(jìn)感嘆道：“所有這些工作都離不開(kāi)載荷研制單位的支持和合作，大家一起保證儀器運行正常、數據刻度準確、科學(xué)成果可靠。”

　　“延壽”平穩運行 

　　2019年9月，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星第二批科學(xué)成果正式公布。“悟空”獲得TeV-100 TeV（1TeV=1萬(wàn)億電子伏特）能區精確的宇宙線(xiàn)質(zhì)子能譜，并發(fā)現新的譜結構。這是“悟空”繼電子能譜觀(guān)測后取得的又一項重要發(fā)現。

　　“暗物質(zhì)粒子探測衛星是我國首顆專(zhuān)門(mén)用于科學(xué)研究的衛星，很多工作沒(méi)有現成的經(jīng)驗可以照搬，需要大家‘小心而又大膽’地摸索。”常進(jìn)解釋道，“小心”是指做任何一件工作都必須高度負責，十分謹慎、考慮周全；“大膽”則是在沒(méi)有先例的情況下要敢想敢做敢試。

　　在研究過(guò)程中，擺在科研團隊面前的現實(shí)問(wèn)題是，我國的空間科學(xué)研究跟國外比起來(lái)，起步晚了很多年，用于空間項目的投入也相對較少，這樣的情況下如何能夠在國際競爭中取得優(yōu)勢，是非常大的挑戰。

　　常進(jìn)介紹道：“我們采用了獨辟蹊徑的設計思路，不貪大求全，在某些指標方面做到國際領(lǐng)先。”事實(shí)表明，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星以遠低于國際上其他同類(lèi)設備的價(jià)格，實(shí)現了能量分辨率、觀(guān)測能段覆蓋和粒子鑒別能力等幾項指標世界最優(yōu)，為取得最好的科學(xué)成果奠定了基礎。

　　空間工程項目特點(diǎn)是投資大，風(fēng)險也大。一顆衛星送上天了就沒(méi)有辦法維修，一個(gè)小的毛病就可能導致這顆衛星“報銷(xiāo)”。常進(jìn)經(jīng)常打比方說(shuō)：“一塊錢(qián)的電阻可能使幾百億元的衛星‘報銷(xiāo)’，所以我們的責任很大。”

　　暗物質(zhì)粒子探測衛星是一個(gè)團隊的工程，最多時(shí)有300多人參與研制。“衛星研制過(guò)程中遇到了好多問(wèn)題，其中有些問(wèn)題光靠年輕人是不夠的。”常進(jìn)回憶道，“我的已從大學(xué)退休的老師們也參與其中，無(wú)償幫助我們解決難題，很讓人感動(dòng)。”

　　李華旺透露，如今“悟空”號各探測器完好如初，已經(jīng)進(jìn)入“延壽”運行階段。

　　目前，常進(jìn)團隊的主要任務(wù)是保證暗物質(zhì)粒子衛星平穩運行，采集更多的數據用于科學(xué)研究，并對儀器的性能進(jìn)行進(jìn)一步的準確刻度，提高測量精度，減小系統誤差。“我們正在積極開(kāi)展下一代暗物質(zhì)粒子探測器的設計和關(guān)鍵技術(shù)預研究，期望在不遠的將來(lái)，我們能找到暗物質(zhì)粒子。”常進(jìn)說(shuō)。