王晉嵐

[本刊訊]2015年12月17日，我國首顆天文衛(wèi)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道，標志著我國空間科學(xué)研究進入到全面探索階段。12月24日，“悟空”成功獲取首批科學(xué)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送至中科院國家空間科學(xué)中心。經(jīng)過2個月的在軌測試和標定后，“悟空”將進入在軌運行階段，開始為期2年的巡天觀測和1年的定向觀測?！拔蚩铡笔侵袊茖W(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批立項研制的4顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，并成為首發(fā)星。“悟空”是目前世界上觀測能段最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。

暗物質(zhì)是當前基礎(chǔ)物理研究最前沿的方向之一，其概念起始于1930年代，為了解釋后發(fā)星系團（Coma Clus-ter）中邊緣星系旋轉(zhuǎn)速度的奇異，天文學(xué)家茲威基（F.Zwicky）引入了“暗物質(zhì)”的概念。近些年的天文觀測為暗物質(zhì)的存在提供了強有力的證據(jù)，這些觀測包括引力透鏡效應(yīng)測定的星系團中的物質(zhì)分布，星系紅移巡天對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測，歐洲空間局（EuropeanSpace Agency，ESA）的普朗克衛(wèi)星對微波背景輻射的精確測量等。根據(jù)2013年普朗克衛(wèi)星的測量結(jié)果，當今宇宙的組分包括4.9%的普通物質(zhì)，26.8%的暗物質(zhì)以及68.3%的暗能量。換言之，暗物質(zhì)總質(zhì)量是普通物質(zhì)總質(zhì)量的5倍多。

關(guān)于暗物質(zhì)的構(gòu)成，目前有眾多理論模型，主流觀點是暗物質(zhì)主要由一類具有某些特殊性質(zhì)的粒子組成，這類粒子被稱作“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（weakly interacting massive particle，WIMP）。WIMP與普通物質(zhì)的作用非常微弱，所以雖然數(shù)量巨大，但從未被觀測到過，除引力相互作用外，其只參與弱相互作用（或其他未知的強度不大于弱相互作用的相互作用形式）。對暗物質(zhì)粒子的探測將會加深我們對物質(zhì)的微觀組成以及宇宙起源、演化的理解，并可能帶來基礎(chǔ)物理學(xué)的重大突破。目前世界上暗物質(zhì)粒子的探測實驗主要有三種：地下低溫或惰性液體探測器的直接探測，如我國錦屏山地下實驗的PandaX和CDMX項目；通過探測宇宙中γ射線、高能反物質(zhì)粒子等的反?，F(xiàn)象而間接實現(xiàn)對暗物質(zhì)粒子的探測，如美國費米γ射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope，F(xiàn)GST），意大利PAMELA空間計劃，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS-02）等；利用大型對撞機制造、探測暗物質(zhì)粒子，如歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）.

“悟空”是我國首顆暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，屬于上述第二種探測實驗。探測衛(wèi)星擁有4個子探測器：塑閃陣列探測器，硅陣列探測器，BGO量能器以及中子探測器，它們聯(lián)合工作可以測量高能粒子的能量、方向以及電荷，并且可以對粒子的種類進行鑒別。實驗工程的總體工作由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負責；衛(wèi)星系統(tǒng)由上海微小衛(wèi)星工程中心負責研制；有效載荷由中國科學(xué)院紫金山天文臺整體負責，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院近代物理研究所、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心等參與研制；地面支撐系統(tǒng)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭負責，中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參加；科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、建設(shè)、運行由中國科學(xué)院紫金山天文臺負責。其主要科學(xué)目標是：對高能電子和γ射線進行空間高分辨率、寬波段的觀測，以尋找和研究暗物質(zhì)粒子：對太電子伏（TeV）能量以上的高能電子及重核進行觀測，研究宇宙射線物理；精確測量高能γ射線能譜，開展γ射線天文研究。