<h3>為了實(shí)時了解我國科學(xué)研究的最新動態(tài)、實(shí)時了解國內(nèi)天文界最新的研究成果，籍來南京大學(xué)聚會的機(jī)會，4月12日上午我們20個同學(xué)一同來到位于南京大學(xué)科學(xué)園的中國科學(xué)院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室參觀和了解暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（又稱“悟空”號衛(wèi)星）。</h3><h3><br></h3><h3>用于研究、試驗(yàn)和行政辦公的中國科學(xué)院紫金山天文臺新臺址位于南大科學(xué)園內(nèi)（在紫金山上的老臺址現(xiàn)已作為科普基地）。</h3> <h3>去紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室參觀前，同學(xué)們先在南京大學(xué)科學(xué)園的Logo處合影留念。</h3> <h3>在暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室展覽大廳放置的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星模型。</h3> <h3></h3><h3>暗物質(zhì)粒子探測器模型的放大圖。</h3> <h3>暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星主研究單位為中國科學(xué)院紫金山天文臺，協(xié)作單位如下:</h3><h3>中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)</h3><h3></h3><h3>中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所</h3><h3>中國科學(xué)院高能物理研究所</h3><h3>中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心</h3><h3>中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院</h3><h3>意大利佩魯賈大學(xué)、</h3><h3>瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)</h3> <h3>中國科學(xué)院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室研究人員馬濤先生正在為為我們詳細(xì)講解暗物質(zhì)粒子探測器的概貌。</h3> <h3>隨后，馬濤先生帶領(lǐng)我們參觀半導(dǎo)體探測器測試實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行半導(dǎo)體探測器封裝、測試； 多通道低噪聲前端讀出； 探測器的測試、單芯片測試、模塊組裝測試、整機(jī)測試等； 同時開展一些探測器模擬和在軌數(shù)據(jù)壓縮算法等。</h3> <p>接著，馬濤先生又帶我們參觀ASO-S衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)中心，其中心系中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“先進(jìn)天基太陽天文臺（ASO-S）”衛(wèi)星系統(tǒng)總裝數(shù)據(jù)中心，ASO-S是用于觀測太陽硬X射線的衛(wèi)星（還未發(fā)射）。</p><p>參觀期間，我們在ASO-S衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)中心還見到了“悟空”號衛(wèi)星的一期實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，“悟空”號二期衛(wèi)星目前正運(yùn)轉(zhuǎn)在太陽同步軌道。</p> <h3></h3><h3>常進(jìn)研究員，中國科學(xué)院紫金山天文臺臺長、兼中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、暗物質(zhì)與空間天文實(shí)驗(yàn)室主任，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（“悟空”號）首席科學(xué)家。</h3><h3><br></h3><h3>翻開常進(jìn)的個人簡歷，有著長長一串的獎勵和榮譽(yù)。擔(dān)任暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家之前，常進(jìn)一直參與我國探月工程項(xiàng)目，先后參加“嫦娥一號”伽瑪射線譜儀、“嫦娥二號”改進(jìn)型伽瑪射線譜儀以及“嫦娥三號”APXS譜儀的研制工作。</h3><h3>常進(jìn)獲得2009年獲國家杰出青年科學(xué)基金支持。2011年獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)獎一等獎，全國五一勞動獎?wù)隆?012年獲得國家自然科學(xué)獎二等獎，國家科技進(jìn)步獎特等獎。2013年入選國家百千萬人才工程，2014年獲江蘇省有突出貢獻(xiàn)的中青年專家。</h3><h3>圖片上是“悟空”號衛(wèi)星～常進(jìn)研究員的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。圖片來自網(wǎng)絡(luò)。</h3> <h3>“火眼金睛”指的是吳承恩所著的《西游記》中孫悟空眼光銳利，能識別妖魔鬼怪的眼睛。當(dāng)代“悟空”的火眼金睛是指在國家和中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)院紫金山天文臺臺長、中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，“悟空”號衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)研究員主持與研發(fā)的“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測器（Dark Matter Particle Explorer，縮寫為: DAMPE）。它于2015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射，并被送入距地500公里的太陽同步軌道。</h3><h3><br></h3><h3>《西游記》孫悟空的扮演者六小齡童與“悟空”號首席科學(xué)家常進(jìn)研究員正在參加對DAMPE授名為“悟空”號衛(wèi)星的儀式，照片來自網(wǎng)絡(luò)。</h3> <h3>悟空號衛(wèi)星自重1.90噸，其內(nèi)部的四大科學(xué)載荷重達(dá)1410公斤，從上到下分別是塑料閃爍體探測器(PSD)、硅徑跡探測器(STK)、BGO量能器(BGO)以及中子探測器(NUD)。 </h3><h3>PSD由中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所負(fù)責(zé)研制，其主要功能是測量帶電粒子的電荷并區(qū)分伽瑪射線和電子宇宙射線；STK是中國科學(xué)院高能物理研究所、意大利佩魯賈大學(xué)以及瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)聯(lián)合研制，其主要功能是將部分伽瑪射線轉(zhuǎn)換為正負(fù)電子對，并確定入射粒子的方位；BGO由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與中國科學(xué)院紫金山天文臺聯(lián)合研制，除了精確的測量能量，還可以高效的區(qū)分電子和質(zhì)子，并提供物理事例的觸發(fā)信息；NUD由中國科學(xué)院紫金山天文臺研制，主要功能是進(jìn)一步的區(qū)分電子和質(zhì)子。 </h3><h3>這四大科學(xué)載荷組合在一起就形成了一個寬觀測能段、高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度、低本底的GeV-TeV電子宇宙射線探測器和伽瑪射線探測器。悟空號的主要科學(xué)目標(biāo)就是測量宇宙射線中的正負(fù)電子之比和伽瑪射線，得到精確的能譜并與宇宙模型進(jìn)行比對，以期發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。 </h3><h3>圖片來自中國科學(xué)院紫金山天文臺網(wǎng)頁。</h3> <h3>有了探測暗物質(zhì)的儀器，那何為暗物質(zhì)哪？暗物質(zhì)（Dark matter）是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，它可能是宇宙物質(zhì)的主要組成部分，但又不屬于構(gòu)成可見天體的任何一種目前已知的物質(zhì)。大量天文學(xué)觀測中發(fā)現(xiàn)的疑似違反牛頓萬有引力的現(xiàn)象可以在假設(shè)暗物質(zhì)存在的前提下得到很好的解釋?，F(xiàn)代天文學(xué)通過天體的牛頓萬有引力的現(xiàn)象運(yùn)動、引力透鏡效應(yīng)、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的形成、微波背景輻射等觀測結(jié)果表明暗物質(zhì)可能大量存在于星系、星團(tuán)及宇宙中，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于宇宙中全部可見天體的質(zhì)量總和。結(jié)合宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）可確定宇宙中由原子、分子組成的可見物質(zhì)只占宇宙總量的5%，其它的95%的物質(zhì)是不可見物質(zhì)。其中27%為暗物質(zhì)，68%是暗能量。把暗物質(zhì)、暗能量和普通的可見物質(zhì)加起來，發(fā)現(xiàn)宇宙的總密度正好等于宇宙的臨界密度，所以宇宙的幾何圖形應(yīng)該是平直的，即我們所熟悉的歐氏幾何。暗物質(zhì)本身有固定的質(zhì)量，有可能產(chǎn)生正負(fù)電子或其它粒子，宇宙當(dāng)中還普遍存在宇宙射線，即高能量的粒子，也包括正負(fù)電子。</h3><h3><br></h3><h3>目前一種被廣泛接受的理論認(rèn)為，組成暗物質(zhì)的是“弱相互作用有質(zhì)量粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP），其質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度在電弱標(biāo)度附近，在宇宙膨脹過程中通過熱退耦合過程獲得目前觀測到的剩余豐度。此外，也有假說認(rèn)為暗物質(zhì)是由其他類型的粒子組成的，例如軸子（axion），惰性中微子（sterile neutrino）等。<br></h3><h3><br></h3><h3>暗物質(zhì)的存在已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同,然而目前對暗物質(zhì)屬性了解很少。目前已知的暗物質(zhì)屬性僅僅包括有限的幾個方面：</h3><h3>（1）暗物質(zhì)參與引力相互作用，所以應(yīng)該是有質(zhì)量的，但單個暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大小還不能確定。</h3><h3>（2）暗物質(zhì)應(yīng)是高度穩(wěn)定的，由于在宇宙結(jié)構(gòu)形成的不同階段都存在暗物質(zhì)的證據(jù)，暗物質(zhì)應(yīng)該在宇宙年齡（百億年）時間尺度上是穩(wěn)定的。</h3><h3>（3）暗物質(zhì)基本不參與電磁相互作用，暗物質(zhì)與光子的相互作用必須非常弱，以至于暗物質(zhì)基本不發(fā)光；暗物質(zhì)也基本不參與強(qiáng)相互作用，否則原初核合成的過程將會受到擾動，輕元素豐度將發(fā)生改變，將導(dǎo)致與當(dāng)前的觀測結(jié)果不一致。</h3><h3>（4）通過計(jì)算機(jī)模擬宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成得知，暗物質(zhì)的運(yùn)動速度應(yīng)該是遠(yuǎn)低于光速，即“冷暗物質(zhì)”，否則我們的宇宙無法在引力作用下形成目前觀測到的大尺度結(jié)構(gòu)。</h3><h3>綜合這些基本屬性?？梢缘贸鼋Y(jié)論暗物質(zhì)粒子不屬于我們已知的任何一種基本粒子。這對當(dāng)前極為成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成挑戰(zhàn)。</h3><h3><br></h3><h3>常進(jìn)研究員認(rèn)為，目前雖然有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型對暗物質(zhì)進(jìn)行研究，但是還沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來確定暗物質(zhì)粒子存在與否。由此需要綜合多種研究方法，積累數(shù)據(jù)以及更高能量的精準(zhǔn)測量來加以確認(rèn)。我國的“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星就在更高能量和更高精度上展開了對物質(zhì)的探測工作。</h3><h3>“悟空”號衛(wèi)星在伽瑪射線譜線、暈狀分布的伽瑪射線以及奇異電子能譜結(jié)構(gòu)三個方面開展暗物質(zhì)探測。宇宙射線成分比較復(fù)雜，各種粒子的流量相差很大。由于“悟空”號衛(wèi)星擁有很強(qiáng)的本底抑制能力，能將流量相差很大的各種高能粒子區(qū)分清楚，把它們的物理參數(shù)測量準(zhǔn)確。對關(guān)鍵的物理量（如電荷、能量和方向等）都采用兩種獨(dú)立的測量，以保證結(jié)果的高可靠性。</h3><h3>“悟空”號衛(wèi)星在軌運(yùn)行兩年半以來，共采集到50億余個高能粒子數(shù)據(jù)，常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)從中篩選出了150萬個高能粒子數(shù)據(jù)。覆蓋的能段從25GeV到5GeV。</h3><h3>照片來自網(wǎng)絡(luò)。</h3> <h3><font color="#167efb">上圖是常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)從“悟空”號衛(wèi)星2年半來觀測的數(shù)據(jù)，得到的宇宙高能粒子能譜。</font></h3><h3>從上面的高能粒子能譜中發(fā)現(xiàn)，大約在0.9TeV附近出現(xiàn)了一個能量上的拐折; 在約0.9TeV拐折以上，能量更高的電子數(shù)量減少了一些。這個拐折澄清了TeV能區(qū)電子的能譜行為，為判斷TeV以下的高能電子宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)湮滅提供了關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精度的下降行為對判定部分（能量低于1TeV電子）宇宙射線是否來自于暗物質(zhì)湮滅起著關(guān)鍵性的作用。</h3><h3>常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)從高能粒子能譜中還發(fā)現(xiàn)，在1.4TeV附近，還有一個很突出的峰值。此能譜特征已引起很多高能天體物理學(xué)家的關(guān)注，在1.4TeV處存在的這個能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，還需更多的觀測數(shù)據(jù)來解開這個謎。由于高能電子在銀河系中傳播的時候會快速的損失能量，因此TeV的電子不能傳播很遠(yuǎn)，也就是其輻射源應(yīng)該離我們比較近；出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)也意味著輻射源產(chǎn)生的電子宇宙射線能譜非常尖銳，目前尚不清楚是什么天體物理過程能產(chǎn)生如此奇特的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前“悟空”號運(yùn)行狀態(tài)良好，正在持續(xù)采集數(shù)據(jù)，若1.4TeV處能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的機(jī)制得以確認(rèn)，將是高能粒子物理或天體物理研究領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。</h3><h3><br></h3><h3>常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，針對暗物質(zhì)的探測，目前的“悟空”號衛(wèi)星是運(yùn)行在地球軌道，探測到的信息也局限在銀河系內(nèi)，這也有可能使探測結(jié)果得到的結(jié)論受到限制?，F(xiàn)在常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)正在努力分析“悟空”號衛(wèi)星采集到的數(shù)據(jù)，以期早日發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡或發(fā)現(xiàn)更多的宇宙天體奇特現(xiàn)象，更清晰地了解宇宙射線是如何產(chǎn)生的。</h3> <h3>“悟空”號衛(wèi)星作為我國暗物質(zhì)高能粒子探測衛(wèi)星與FAST“中國天眼”一同作為國之重器，在2018年11月我國改革開放40周年大型展覽中一同亮相。在我國它率先開啟了宇宙空間暗物質(zhì)粒子探索的新篇章！</h3><h3>正如習(xí)近平總書記在2016年新年賀詞中說得那樣，只要堅(jiān)持，夢想總是可以實(shí)現(xiàn)的。相信常進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不懈的努力，定能在暗物質(zhì)的探尋上有重大突破！</h3> <h3>參考文獻(xiàn)</h3><h3>常進(jìn)，《電子能譜拐折: 佐證宇宙射線是否來自暗物質(zhì)湮滅》，《前沿科學(xué)》，2019年第1期</h3>