丙申猴年將盡，宇宙中一只伶俐活潑的小猴子——“悟空”近來也忙得很。

據(jù)中科院紫金山天文臺通報，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”近期頻繁記錄到來自超大質(zhì)量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發(fā)。這是科研團(tuán)隊自衛(wèi)星上天后首次發(fā)布觀測成果，引發(fā)了各方關(guān)注。

2015年12月17日“悟空”成功發(fā)射，在軌飛行的一年多，它的火眼金睛看到了什么？悟空的“師父”們——科學(xué)家在后方怎樣工作？

每天定時體檢，對“悟空”采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和重建

早上五六點，中科院紫金山天文臺辦公樓三樓一間辦公室就亮起了燈。“悟空”每天繞地球飛行15圈，每圈4萬多公里，一天下來“騰云駕霧”60多萬公里，“悟空”的身體是最讓“師父”們掛心的。

他們一天的工作，就從為“悟空”體檢開始。“載荷狀態(tài)監(jiān)視崗”的值班人員，開始接收每天4軌的監(jiān)測工程參數(shù)、科學(xué)數(shù)據(jù)，并通過這些信息，為“悟空”測一測溫度、量一量高壓。

紫金山天文臺副臺長、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)，是“悟空”的總負(fù)責(zé)人，他每天第一件事就是查看“悟空”的體檢報告：“剛發(fā)射的時候我擔(dān)心會出現(xiàn)意外，所以安排每天兩班人馬。但是‘悟空’的表現(xiàn)很好，除了在6月份遇到一次因為太空復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的問題，其他基本正常，平時只需要一人監(jiān)控值班。”

常進(jìn)說得淡定，但其他“師父”們卻偷偷告訴記者，那次“悟空”生病，常進(jìn)急得睡不著覺，還發(fā)了低燒。好在對癥下藥后，“悟空”很快就痊愈了。

“悟空”也定期向后方的“師父”們匯報工作。每天清晨和傍晚，當(dāng)它飛過中國境內(nèi)，位于密云、喀什、三亞的三個數(shù)據(jù)接收點就會接收到數(shù)據(jù)，每天約有13G。這些數(shù)據(jù)先是匯總到懷柔的地面支撐系統(tǒng)，之后再傳回紫金山天文臺的暗物質(zhì)實驗室進(jìn)行分析。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師伍健用“盲人摸象”來形容分析過程。“悟空”每天傳送回500萬個粒子信息，粒子包括原子、電子、中子等。原子由原子核和繞核運動的電子組成，電子與正電子會因碰撞而湮滅，在這過程中產(chǎn)生光子。500萬當(dāng)中，電子只有不到千分之一，而光子只有十萬到百萬分之一。此外，“悟空”探測器共有7萬多路電子學(xué)信號通道，采集到的數(shù)據(jù)必須得標(biāo)定和重建，就如同7萬多個盲人在摸象。

分析第一步稱為標(biāo)定，就是把二進(jìn)制電子信號轉(zhuǎn)換成能量，就好比為數(shù)萬個盲人千差萬別的感覺確定一個標(biāo)準(zhǔn)。第二步是數(shù)據(jù)重建，相當(dāng)于將每個盲人摸到的部分拼湊到一起。這也僅是真正物理分析的基礎(chǔ)，接下來的關(guān)鍵是要挑選出那千分之一的電子。10多年前，常進(jìn)提出的挑選方法，已成功應(yīng)用在南極熱氣球?qū)嶒灐滴镔|(zhì)衛(wèi)星和日本的空間站實驗“電子量能器”的科學(xué)分析中。

由于成千上萬路信號匯總之后，才能還原出目標(biāo)粒子是什么種類、到達(dá)時間是否均勻、方向分布有無特殊性等信息，“師父”們要加班加點甚至通宵工作才能完成。為提高準(zhǔn)確率，標(biāo)定和重建一直在不斷改進(jìn)，目前數(shù)據(jù)分析所用的軟件總共修改了5000多次。

365個日日夜夜，“悟空”與“師父”們就在這重復(fù)的程序中度過。

搜尋暗物質(zhì)、研究宇宙射線等任務(wù)取得了階段性成果

前不久，“悟空”首次擒獲“小妖”，頻繁記錄到超大質(zhì)量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發(fā)。這是怎樣發(fā)現(xiàn)的、又有怎樣的意義？

紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文研究部研究員袁強(qiáng)介紹，在這里，“師父”們分成兩組工作，一組負(fù)責(zé)衛(wèi)星運行控制，另一組是進(jìn)行科學(xué)分析。科學(xué)分析小組每天都將“悟空”傳回來的500萬個粒子分門別類并深入分析。去年10月份以來，光子組研究人員發(fā)現(xiàn)在CTA 102的方向不斷有高能光子到達(dá)，有時一天之中甚至來好幾個事例，而以往一個星期也觀測不到一個。經(jīng)過持續(xù)觀察，他們認(rèn)為這是來自超大質(zhì)量黑洞伽馬射線爆發(fā)的情況。

當(dāng)然，這只是“悟空”的一次牛刀小試。作為目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)和粒子鑒別能力最強(qiáng)的高能粒子探測衛(wèi)星，“悟空”由衛(wèi)星平臺和4個有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器。它們共同構(gòu)成一個高能粒子望遠(yuǎn)鏡，可以高精度地測量入射粒子的信息。最高可觀測能量是國際空間站“阿爾法磁譜儀”的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。

此次上天，“悟空”還肩負(fù)著研究宇宙射線起源和伽馬射線天文學(xué)的使命，目前也都已經(jīng)有了階段性結(jié)果。

一年多來，“悟空”發(fā)回了19億個粒子數(shù)據(jù)。其中，5GeV到10TeV區(qū)間的高能電子數(shù)量已經(jīng)超過100萬個。理論上，人們認(rèn)為暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變可以產(chǎn)生高能電子，通過這些數(shù)據(jù)便可以搜尋暗物質(zhì)粒子的蹤跡。高能電子還可以用于探索鄰近的電子宇宙射線源，這是因為高能電子在星系中只能跑很短的一段距離，從而帶給我們的是太陽系附近的源的信息。

伽馬射線觀測方面，“悟空”還觀測到了脈沖星、恒星爆炸后形成的超新星遺跡等天體。“悟空”在一年多時間里，已經(jīng)完成兩次全天掃描，成功繪制出一張全天伽馬射線圖，這是國際上僅有的3幅GeV輻射天圖之一。

那么， 高能量的宇宙射線究竟是來自于黑洞，還是來自于超新星的遺跡，抑或是某些現(xiàn)在還未知的天體？目前學(xué)術(shù)界有多方猜測。作為一個宇宙射線望遠(yuǎn)鏡，“悟空”也可以用來研究宇宙射線的起源、傳播和加速等。

“目前，仍是積累數(shù)據(jù)階段，說其中包含著多大的成果還為時尚早。”常進(jìn)坦言，但這一年“悟空”已經(jīng)超額完成目標(biāo)。

繼續(xù)全天掃描高能粒子，有望打開觀測宇宙的新窗口

在我們身邊，每分每秒都有無數(shù)的暗物質(zhì)粒子穿越人體和其他物質(zhì)，但我們卻感覺不到，它們就是“暗物質(zhì)”。根據(jù)科學(xué)家研究，宇宙中約分布著68%的暗能量和27%暗物質(zhì)。而我們所看得見、摸得著的普通物質(zhì)僅占5%，就如同深沉夜幕中幾顆閃光的星星。

暗物質(zhì)和暗能量被視為現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的“兩朵烏云”，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍。

伍健介紹，目前，科學(xué)家大致有三種方法探測暗物質(zhì)：利用加速器將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來；在地下布好“靶子”，等著暗物質(zhì)粒子撞擊留下可見粒子的蛛絲馬跡；到茫茫太空捕捉暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變后留下的痕跡。“悟空”采用的是第三種方法。

在新一年，“悟空”還將繼續(xù)遨游太空，接受來自宇宙四面八方的高能粒子。由于暗物質(zhì)的蹤跡的不確定性，“悟空”將在上天后的頭兩年進(jìn)行全天掃描。如果在某些方向發(fā)現(xiàn)有趣的結(jié)果，它將展開定向觀測。

“我們繼續(xù)忙并快樂著。”說起自己的新一年的小目標(biāo)，常進(jìn)坦言，還是按部就班地做好工作，盡早發(fā)表第一批研究成果。目前用于第一批成果所需要的分析數(shù)據(jù)，已經(jīng)獲取了一大半，但是在余下部分完成前，誰也說不好將會遇到什么。

“只要‘悟空’一切運行正常，就為我們打開了觀測TeV能量以上的宇宙的新窗口，未來就有可能在暗物質(zhì)間接探測、高能天體物理、宇宙射線物理等方面，帶給我們更多驚喜。”袁強(qiáng)說，TeV能量級別，大約是地鐵安檢中X光能量的10億倍，如此高能的電子只在宇宙射線中存在，而以前的實驗從未準(zhǔn)確地觀測過它們。這就是一塊未知的曠野，等待著“悟空”的火眼去發(fā)現(xiàn)。（姚雪青）

[責(zé)任編輯：楊凡、徐紅梅]

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