2015年12月18日8時12分,我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空,衛星順利進入預定轉移軌道。不久后,這位暗物質獵手將張開“火眼金睛”,尋找暗物質粒子存在的證據。
暗物質和暗能量,被科學家稱為“籠罩在21世紀物理學上空的兩片烏云”。目前,我國和多個國家已著手籌建或實施多個暗物質探測實驗項目,其研究成果將可能帶來基礎科學領域的重大突破。根據“悟空”的師父、暗物質衛星首席科學家常進的說法,“悟空”是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星。
“悟空”由中科院微小衛星創新研究院負責總研制,中科院紫金山天文臺等科研單位共同參加有效載荷、科學應用等工程項目研制工作。
“悟空”看上去并不大,僅有一立方米大,相當于一張辦公桌的大小。體積雖小,裝下的東西卻堪比一個地上的大科學裝置。衛星副總設計師安琪告訴記者,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(北京譜儀)。他說,要將所有探測器及其電子學安裝在1個立方米的空間內,技術難度超過了我國目前所有的上天高能探測設備。
至于“悟空”的“眼睛”,即衛星的有效載荷——高能粒子探測器“望遠鏡”,則重1.4噸,整星重1.9噸,載荷平臺比達到2.8。根據載荷特點,衛星借鑒哈勃望遠鏡的設計理念,采用以載荷為中心的設計方案,探測器位于整星中心,電子學機箱及平臺各單機均布于探測器周圍的隔板上。
從外表看上去,“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,像一個倒立的四層蛋糕。衛星系統總設計師李華旺告訴記者,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。
根據設想,“悟空”進入太空后,將在500公里太陽同步軌道上采取兩種觀測模式:前兩年采用巡天觀測模式,由于暗物質可能存在于全天區的任何區域,所以第一階段對全天區進行掃描。兩年后,“悟空”轉入定向觀測模式,根據全天區探測結果分析出暗物質最可能出現的區域,并針對這些區域開展定向觀測。
這3年里,“悟空”每天都將觀測500萬個高能粒子,傳回16G數據量,地面也將有100余人的科學家團隊來分析研究數據。首批科學成果可能在6個月至1年后發布。常進說,一旦勾勒出的“伽馬射線能譜”反映出與以往類似的譜線極段等特征,就意味著獲得暗物質粒子存在的強有力證據。
當然,他也表示,沒有人能百分之百保證找到暗物質,“但只要衛星工作正常,就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口,必然會發現很多新奇的現象。”