在中科院紫金山天文台,常进(中)和他的团队
2015年12月17日8时12分,长征二号丁运载火箭将“悟空号”暗物质粒子探测卫星送入太空
(上接B1版)
2000年底,一个比足球场还大的超级气球于南极升空,在离地面37千米的高空展开了人类对宇宙线高能电子的首次成功南极观测。
南极气球总共进行了4次飞行,探测带回了海量数据。常进用这些数据,两三天就把高能电子、高能伽马射线全部找了出来。他很快发现了一个奇异的现象,高能电子流量在3000亿~8000亿电子伏特能量区间内,显著超出了模型预计,也就是说,观测到的高能电子要比理论计算出来的多。
这让常进急了,以为是仪器出了问题。然后,常进他们花了一年的时间,证明不是仪器问题,并推测肯定是天上来的高能电子比理论模型要多。
多出来的这些电子来自于哪里呢?一个可能的解释是,这一“超”现象来自暗物质。几年后,常进作为第一作者,在《自然》杂志上发表了《宇宙电子在3000亿~8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。这一成果,成为ATIC气球探空项目最重要的科学发现。同时,引发了世界范围内间接观测寻找暗物质的热潮。
(四)
人类对于太空的探索,主要包括天文与航天两个领域。这两个关系非常密切的领域,你中有我,我中有你。天文是航天的基础,航天为天文搭建平台。
随着中国改革开放不断深入和科技实力的不断提升,航天科技迎来了大发展。1992年,中央批准实施中国载人航天工程。1999年11月20日凌晨6点,“神舟一号”飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。
神舟,意为天河之舟,往返于天地之间。
神舟,与“神州”谐音,象征着中国人的“飞天”之梦。
早在“神舟二号”飞船上天之前,天文学界就提出搭载空间天文探测仪器,并取得了积极科研进展。该计划于1994年正式立项,在长达7年的时间里,紫金山天文台与中国科学院高能物理研究所共同完成了3台高能辐射探测器的研制。
常进从头到尾参与其中。令天文界振奋的是,天文探测器在“神舟二号”在轨运行中工作正常,除了观测到若干宇宙伽马射线暴,还观测到数十个太阳伽马射线耀斑和逾百个太阳硬X射线耀斑。
常进满怀信心地对同事说,如果我们能制造一台更大的探测器放在宇宙空间,那就打开了宇宙的一个新窗口,一定会有新的发现。
同事笑言道,你是打开天窗说亮话。
常进纠正道,我是打开天窗看风景。
不曾想到,他在寻找机会,机会也在寻找他。有一次,中科院在哈尔滨召开会议。会上,第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”总设计师叶培建介绍了第一期绕月工程计划,就是要对月球进行全球性、整体性与综合性的探测,并对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。叶培建征询大家的意见,还能在探月工程中做些什么?
常进随即提出自己的建议和设想:在“嫦娥一号”上搭载天文探测器,即一台伽马/X射线谱仪,用以测量月球表面的伽马射线,并寻找和测量月球可能存在的有关元素。
一拍即合!常进的建议和设想得到了叶培建总师的认可,并把这一研制任务交给紫台。
常进带领着一个年轻的团队投入到紧张的研制工作。经过一系列技术攻关,伽马/X射线谱仪研制出来了。但能不能使用,还必须经过严密的试验。常进带着团队人员驻扎到南京十四所,利用这里的真空罐对设备进行温度测试。从低温到高温,再从高温到低温,无数次地循环,就这样持续了整整七个月的时间。
2007年10月24日,“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心发射升空。设计寿命为一年的“嫦娥一号”卫星,携带着CCD相机、成像光谱仪、激光高度计、伽马/X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器、低能离子探测器等多种科学仪器,对月球进行探测,完成四大任务:获取月面的三维影像、分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点、探测月球土壤厚度以及检测地月空间环境。其中,紫台研制的伽马/X射线谱仪运行良好,并取得令人满意的观测数据,成功发现了月面自然放射性元素,成为“嫦娥一号”科学成果的一部分。
之后,常进团队又参加了“嫦娥二号”“嫦娥三号”的相关工作,观测设备不断改进,观测效能不断提升。
在此过程中,一个雄心勃勃的计划已经在常进心中孕育成熟——研制一颗暗物质专属探测卫星。
(五)
常进把酝酿已久的暗物质深空探测计划向紫台领导作了汇报,得到台领导的充分肯定。为了有效推进暗物质研究探测工作,紫金山天文台于2010年组建了暗物质与空间天文实验室,并任命常进为台长助理,分管这项工作。
庆幸的是,此时,中国科学院正在实施一项“科技率先行动计划”。常进带领研究团队夜以继日,做出了“暗物质粒子探测卫星项目方案书”,并以紫台名义向中科院申报“空间科学先导专项”,纳入“率先行动”计划。
为了慎重起见,中科院领导通过特殊管道,征询国际知名机构和专家的意见,而得到的善意答复是,凭借中国目前的人力财力和科研水平,要进行暗物质的深空探测,那非常艰难甚至是不可能的事情。
常进愣住了,沉默许久后说,是的,也许是不可能的,但不是完全不可能的。坚定的决心,加上明确的科学目标、可行的实施方案,最终获得了领导和专家组的认可。紫台申报的“空间科学先导专项暗物质粒子探测卫星”项目,在中科院“率先行动”计划中脱颖而出,于2011年12月正式立项。
常进多次对同事们说,我们生逢其时,遇上了好时代!
根据设计方案,暗物质专属卫星探测器将由4个部分组成:顶部是塑闪阵列探测器,往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。只有四种探测器结合,才能高分辨地观测高能宇宙粒子。为此,卫星将设置75916路探测通道。无疑,这是当时我国在天上飞行的电子学方面最复杂的一颗卫星。
常进需要组建一支高水平的专业团队,首先想到了科大的老师。得到了老师们的支持,常进又多途径招兵买马,在不长的时间内组成了中青年团队,共有成员35人,大多是年轻博士,团队平均年龄34岁。团队组建后,常进自加压力,提出卫星研制时间为4年。
奋战在“北斗三号”首颗试验卫星技术攻关一线的朱振才,因为技术熟练,被召唤到空间科学卫星的新战场。起初科学团队设计的卫星是个“大块头”,重达3吨。朱振才带领团队瞄准探测任务,精准定位减重的设计思路,将卫星质量控制在1.9吨以内,仅运载就为国家节省了几千万元的成本。
空间探测器研制出来后,要在欧洲核子中心进行束流测试,如此大型的空间探测器运往欧洲核子中心在中国尚属首次。为了尽快掌握探测器的工作状态,保障实验的顺利进行,研制团队在欧洲成立临时党支部,带领团队成员在异国他乡坚守实验现场,为了解决多项技术难题,试验场数周24小时不休,最终顺利完成了一系列高能粒子束流标定,探测器技术指标达到国际先进水平。
正是凭借着这使不完的劲,常进与他的团队,以及各协作单位,团结奋斗,努力拼搏,用了不到四年的时间,提前完成了卫星研制任务。
一颗新型卫星诞生了。
它的体积大约有一张办公桌那么大,有效载荷却达到1.4吨,内部集成了近8万路电子学信道。从上到下装备有四大探测器:塑闪阵列探测器、硅阵列径迹探测器、BGO量能器和中子探测器。
这是我国第一颗空间专属天文卫星。
给这颗卫星起一个什么名字呢?团队的年轻人提议进行网络公开征名,收到有效方案共32517个。经过专家评委投票,由中国科学院批准,该卫星正式命名为“悟空号”。
在新闻发布会上,常进对“悟空号”作了详尽说明,他说,显然悟空取自于中国名著《西游记》中齐天大圣的名字,同时,“悟”即领悟,“悟空”有领悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,犹如卫星上的探测器,可以在茫茫太空中,寻找和识别暗物质的踪影。将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”,符合以神话形象命名科学卫星的惯例,如美国的阿波罗、美国和德国的太阳神、欧洲的尤利西斯、中国的嫦娥等。
(六)
孙悟空大闹天宫的日子终于到了!
2015年12月17日8时12分,在一望无际的戈壁滩上,“长征二号丁”运载火箭随着一声巨响腾空而起。刹那间,火箭在浩瀚苍穹中变成一个隐约可见的小小光点……
卫星测控中心内,大屏幕前紧张的工作人员,实时下达指令:
“程序转弯。”
“星箭分离。”
“太阳能帆板打开。”
“各单机加电。”
“载荷加电。”
“卫星成功入轨!”
此时,监控大厅掌声响起,在场的工作人员纷纷站立起来,相互祝贺,热情拥抱。
一直盯着大屏幕的“悟空号”首席科学家常进的脸舒展开来,但他的心里并未放松下来,从试运行到正式运行,将经过漫长的50多天,每一天都面临新的挑战。这50天,无时无刻不牵动着常进的心。他每天在激动与忐忑中度过。
直到那年年底,在“悟空号”各个设备显示出正常运行后,常进悬着的心才算稍稍放了下来。
“悟空号”卫星成功飞天后,每天清晨和傍晚,它都会路过中国上空,位于密云、喀什、三亚的数据接收站启动程序,接收它回传的约16GB/天的原始数据。
2016年12月29日,紫金山天文台通报,暗物质粒子探测卫星“悟空号”近两个月内,多次记录到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。
2017年,第一批研究成果发表在《自然》杂志上。
2018年12月17日,“悟空号”服役延长两年工作时间。
2020年12月17日,“悟空号”服役期再次延长。
2021年5月19日,暗物质卫星“悟空号”发布第三批科学成果。其团队绘出迄今最精确的高能氦核宇宙线能谱,并观测到能谱新结构。这标志着我国空间高能粒子探测已跻身世界前列。
2021年9月7日,“悟空号”卫星科学团队向世界公开了首批伽马光子科学数据。
2022年11月4日,科研人员基于我国暗物质粒子探测卫星“悟空号”绘制出迄今能段最高的硼/碳、硼/氧宇宙射线粒子比能谱,并发现能谱新结构。这一成果显示,宇宙中高能粒子的传播可能比预想更慢。该研究成果发表于我国综合类学术期刊《科学通报》。
一次次的发布,一组组的数据,令世界天文界瞩目,推进着人类对宇宙的进一步认识,暗物质的面纱正慢慢被揭开……
“悟空号”卫星上天飞行已8年,远远超过了设计寿命,所有部件都保持最佳状态。其间,“悟空号”已经完成全天区扫描超过11次,获取了百亿个高能宇宙射线事件。
常进自豪地对外介绍,“悟空号”平均1秒就能“捕捉”60个高能粒子,可以对GeV到数十TeV量级之间的电子、伽马射线等宇宙线粒子进行测量。它是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间宇宙线探测器。他相信,借助“悟空”的“火眼金睛”,我们将可以窥见崭新的宇宙面貌,离逮住那“看不见摸不着”的暗物质,也许已不是也许,未来可期。
常进在一次专题访谈中坦言,现有数据中有引人注目的迹象,但还不确定,未来的工作还将继续。
如今,暗物质还是“暗”的,也许会在不远的将来,人类将撩开它神秘的面纱,呈现出一道璀璨夺目的“亮”色。