趙漢琪

當(dāng)你仰望茫茫星海，當(dāng)你感嘆宇宙浩瀚，有這樣一群年輕人，在這片遙不可及的星辰大海中尋找一種看不見(jiàn)、摸不著、變幻莫測(cè)的特殊獵物——暗物質(zhì)。

2015年，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星（英文：Dark Matter Particle Explorer，縮寫：DAMPE，簡(jiǎn)稱悟空號(hào)）橫空出世，填補(bǔ)了中國(guó)空間天文觀測(cè)空白，打開了高能宇宙線粒子直接探測(cè)、空間伽馬天文觀測(cè)的新窗口，開創(chuàng)我國(guó)空間高能粒子物理星載觀測(cè)新時(shí)代。

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)“悟空”號(hào)衛(wèi)星載荷與科學(xué)團(tuán)隊(duì)的有為青年們，實(shí)現(xiàn)了眾多關(guān)鍵技術(shù)突破，短短四年完成“悟空號(hào)”工程研制并發(fā)射升空，對(duì)揭示暗物質(zhì)的謎團(tuán)和高能宇宙線起源與加速機(jī)制具有重大意義。

人類對(duì)暗物質(zhì)的孜孜以求究竟能換來(lái)多少看得見(jiàn)摸得著的改變？對(duì)于這群年輕人來(lái)說(shuō)，探索星河霄漢、打破認(rèn)知壁壘，是他們投身科學(xué)的初心。他們前進(jìn)的每一小步，都能照亮通往星辰大海的征程。

“火眼金睛”看太空

2015年12月17日，甘肅酒泉。長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭整裝待發(fā)，準(zhǔn)備搭載暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)發(fā)射升空。

“五、四、三、二、一，發(fā)射！”伴隨倒計(jì)時(shí)，“悟空”號(hào)踩著“七彩祥云”順利升空，踏上“取經(jīng)”之路。它將在距地球500公里高的軌道上運(yùn)行，用于探測(cè)高能粒子、能量和電荷。自發(fā)射至今，“悟空”號(hào)已探查40億個(gè)宇宙高能粒子。每天，它以繞地球15圈的速度行進(jìn)60萬(wàn)公里，努力為人類撥開暗物質(zhì)迷霧。

“這是中國(guó)科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠(yuǎn)鏡?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)說(shuō)，“它有望深刻改變?nèi)祟惖挠钪嬗^，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破”。

“悟空”號(hào)的使命是尋找宇宙暗物質(zhì)，那么究竟什么是暗物質(zhì)？

常進(jìn)介紹，宇宙中不發(fā)光的東西很多，有些能通過(guò)光學(xué)或電磁波觀測(cè)設(shè)備“看”到，但暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，到目前為止，人們還不知道用什么方式能夠找到。

“雖然無(wú)法直接看到，但人類相信暗物質(zhì)的存在。如果沒(méi)有這些物質(zhì)，那宇宙中很多現(xiàn)象是無(wú)法解釋的?！庇钪嬷行窍颠\(yùn)動(dòng)速度之快、離心力之大，僅靠可探測(cè)的發(fā)光物質(zhì)束縛不住?？茖W(xué)家推測(cè)，可見(jiàn)物質(zhì)總質(zhì)量大約只能占到宇宙總質(zhì)量5%，另外95%都是不可見(jiàn)物質(zhì)——暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)可以占到宇宙總質(zhì)量27%。

盡管聽(tīng)上去，暗物質(zhì)探測(cè)困難重重，但暗物質(zhì)并沒(méi)有“暗”到無(wú)法被發(fā)現(xiàn)的地步，它的湮滅會(huì)放出伽馬射線、中微子和其他帶電高能粒子，這些蛛絲馬跡為暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

目前，人類探測(cè)暗物質(zhì)的方式主要分為三類：第一是對(duì)撞機(jī)探測(cè)，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)居世界領(lǐng)先水平；第二是在地下進(jìn)行直接探測(cè)，在我國(guó)四川雅礱江錦屏山隧道里，中國(guó)建成了世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室；第三是間接探測(cè)，主要在空間進(jìn)行。

“悟空”號(hào)衛(wèi)星就是采用空間探測(cè)方式。物理學(xué)家們認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)產(chǎn)生高能粒子，如伽馬射線、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子等。暗物質(zhì)衛(wèi)星能精確探測(cè)這些粒子，通過(guò)其能譜、空間分布來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。

“悟空”號(hào)上天后，捷報(bào)頻傳。2016年，“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)得到中國(guó)首個(gè)GeV以上能段伽馬射線天圖，這展示了探測(cè)器的良好工作狀態(tài)，標(biāo)志著中國(guó)在伽馬射線空間探測(cè)領(lǐng)域首次占有一席之地。

2 0 17年，“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了世界上最精確的TeV能段的電子宇宙線能譜，首次以高置信度揭示了電子宇宙線能譜在0.9TeV附近的拐折；同時(shí)，展示了1.4TeV附近一個(gè)可能的異常超出。這些成果引起全世界相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的轟動(dòng)?？茖W(xué)（Science）雜志評(píng)論，“這些成果表明中國(guó)空間科學(xué)的崛起”。

2019年，“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)在《S c i e n c e Advances》雜志上發(fā)表了世界上能段最高的質(zhì)子宇宙線直接測(cè)量能譜，首次揭示了在14TeV附近的拐折，對(duì)揭示高能宇宙線的起源與加速機(jī)制具有十分重要的意義。

2020年底，“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)完成氦核宇宙線能譜直接測(cè)量，進(jìn)一步揭示了高能宇宙線的起源與加速機(jī)制。目前“悟空號(hào)”號(hào)狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)異，為后續(xù)不斷產(chǎn)出重要科學(xué)成果奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在紫金山天文臺(tái)研究室的一面墻上，懸掛著“悟空號(hào)五周歲生日快樂(lè)”的橫幅。每年12月17日，團(tuán)隊(duì)成員都會(huì)給“悟空”號(hào)慶祝生日?！按蠹叶己芟矚g這個(gè)名字”，團(tuán)隊(duì)成員陳燈意說(shuō)，“衛(wèi)星發(fā)射前夕，通過(guò)公開征名和專家評(píng)選，選出這個(gè)名字，寓意通過(guò)悟空的火眼金睛捕捉到暗物質(zhì)，幫助我們‘領(lǐng)悟太空”。

“悟空”號(hào)設(shè)計(jì)壽命為三年，如今它已經(jīng)正常運(yùn)行五年有余，是全世界目前在軌運(yùn)行的同類探測(cè)設(shè)備中，探測(cè)能段最寬、本底鑒別能力最強(qiáng)、能量分辨最優(yōu)的探測(cè)器。根據(jù)其狀態(tài)，團(tuán)隊(duì)決定繼續(xù)延壽運(yùn)行?！拔蚩铡碧?hào)所取得的突出科學(xué)成果，對(duì)于解開暗物質(zhì)謎團(tuán)和揭示高能宇宙線起源與加速機(jī)制具有重要意義。

“悟空”誕生記

“悟空”號(hào)從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空后，常進(jìn)馬不停蹄趕到西安和北京密云的測(cè)控中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。趕回南京后，他向在紫金山天文臺(tái)還沉浸在成功喜悅中的團(tuán)隊(duì)成員潑了盆冷水：“還沒(méi)到享受成功的時(shí)候。衛(wèi)星探測(cè)器是成功了，但科學(xué)家的任務(wù)還沒(méi)完成?！?/p>

在團(tuán)隊(duì)眼中，常進(jìn)是“悟空”的“師父”，他用二十多年時(shí)間上下求索，尋找探測(cè)暗物質(zhì)的“眼睛”。

1992年，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士畢業(yè)的常進(jìn)來(lái)到紫金山天文臺(tái)，在空間天文實(shí)驗(yàn)室開展研究。剛過(guò)而立之年的他意識(shí)到，高能電子、伽馬射線是人類觀測(cè)宇宙的空白，在這個(gè)領(lǐng)域美、日等國(guó)早已遙遙領(lǐng)先，中國(guó)不能一味跟跑。在經(jīng)費(fèi)緊張的情況下，他用東拼西湊的儀器進(jìn)行研究，提出一種新的電子宇宙射線探測(cè)方法。

1998年，常進(jìn)在德國(guó)做訪問(wèn)學(xué)者，得知美國(guó)要在南極開展一個(gè)宇宙射線觀測(cè)項(xiàng)目——AT IC。根據(jù)自己的新探測(cè)方法，常進(jìn)認(rèn)為ATIC 完全可以在不改動(dòng)硬件的情況下觀測(cè)高能電子和伽馬射線，這可能會(huì)讓自己的方法得到一個(gè)難得的驗(yàn)證機(jī)會(huì)。幾經(jīng)波折，他成功說(shuō)服美國(guó)科學(xué)家把探測(cè)器送到瑞士加速器上試驗(yàn)，結(jié)果證明他的方法完全可行。8A90B076-5F50-4E4C-B538-66AEBF6BEA63

兩年后，像足球場(chǎng)一樣大的ATIC氣球在南極升空，在離地面37公里的高空完成了人類對(duì)高能電子的首次觀測(cè)。分析數(shù)據(jù)后，常進(jìn)意外地發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)到的高能電子流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出模型預(yù)計(jì)的流量。是儀器有問(wèn)題嗎？常進(jìn)和他的團(tuán)隊(duì)花了一年多時(shí)間檢查儀器，用了很多方法證明儀器沒(méi)有問(wèn)題。

于是，他本能地聯(lián)想到縈繞在他腦海中太久的詞——暗物質(zhì)。此后幾年，常進(jìn)與合作者不斷改進(jìn)設(shè)備和觀測(cè)方法，又在南極進(jìn)行了3次觀測(cè)。

從那時(shí)起，常進(jìn)用了十年時(shí)間探索異常數(shù)據(jù)背后的真相。他把自己扔進(jìn)無(wú)邊無(wú)際的浩瀚數(shù)據(jù)中，在愛(ài)人眼里，他已經(jīng)“走火入魔”，“每天嘴里都小聲嘀咕著，忽然來(lái)了靈感，無(wú)論多晚，馬上趕到實(shí)驗(yàn)室”。

數(shù)據(jù)的異常究竟是否來(lái)自暗物質(zhì)，還不能完全確認(rèn)。氣球只要還在大氣層內(nèi)，高能粒子與大氣碰撞就會(huì)產(chǎn)生大量“噪音”。要想看得更清楚，必須排除其他天體干擾，到太空去探測(cè)。

暗物質(zhì)衛(wèi)星探測(cè)器的想法，2002年就在他的頭腦里形成。他做了無(wú)數(shù)次試驗(yàn)和計(jì)算，隨著技術(shù)的進(jìn)步，不斷改進(jìn)細(xì)節(jié)。2008年，常進(jìn)作為第一作者在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表文章，介紹有關(guān)宇宙高能電子異常的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)被美國(guó)物理協(xié)會(huì)和歐洲物理協(xié)會(huì)評(píng)為當(dāng)年世界物理學(xué)領(lǐng)域的重大研究進(jìn)展。評(píng)論普遍認(rèn)為，該觀測(cè)如果被證實(shí)，將是人類第一次發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子湮滅的證據(jù)。這引發(fā)了一輪國(guó)際探索暗物質(zhì)的熱潮。

“很多人說(shuō)他運(yùn)氣好，一下就找到了捷徑，搭上了便車。但很少有人去想，一個(gè)中國(guó)普通研究員，不出一分錢的探測(cè)器，如何打動(dòng)了一個(gè)國(guó)外主導(dǎo)的項(xiàng)目?！蔽榻〕３Ｓ羞@種感慨，他是常進(jìn)的師弟，也是“悟空”號(hào)的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師。2008年，伍健離開丁肇中先生位于蘇黎世的研究團(tuán)隊(duì)歸國(guó)，加入常進(jìn)團(tuán)隊(duì)。伍健回憶，當(dāng)時(shí)在國(guó)際大型實(shí)驗(yàn)中，如有科學(xué)發(fā)現(xiàn)，文章作者都是幾百人，中國(guó)科學(xué)家在其中也起不到主導(dǎo)作用，“按照姓氏首字母排序，我的W永遠(yuǎn)在后面。而現(xiàn)在再辛苦，是做我們自己主導(dǎo)的科學(xué)研究”！

申請(qǐng)?zhí)瞻滴镔|(zhì)探測(cè)計(jì)劃立項(xiàng)的幾年間，常進(jìn)、伍健等科學(xué)家還參與了載人航天和探月工程，對(duì)神舟系列飛船、嫦娥系列衛(wèi)星的研發(fā)作出重要貢獻(xiàn)。

2011年，中科院受國(guó)務(wù)院委托，組織實(shí)施空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)，發(fā)展中國(guó)的科學(xué)衛(wèi)星，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星被列為其中之一。2011年項(xiàng)目成立之初，團(tuán)隊(duì)成員平均年齡不足35歲，來(lái)自不同專業(yè)不同學(xué)校，只有兩位成員具有航天工程經(jīng)驗(yàn)。但初生牛犢不怕虎，他們努力學(xué)習(xí)航天工程的質(zhì)量、軟件管理規(guī)范要求，積極向航天專家請(qǐng)教，在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。

“常老師每次都最早來(lái)，周末也會(huì)到實(shí)驗(yàn)室看看。每次看見(jiàn)他的身影，我們都覺(jué)得自己還是不夠努力?！焙圾Q是常進(jìn)的學(xué)生，也是載荷結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師。工作中的常進(jìn)專注、嚴(yán)謹(jǐn)，生活中的他更像一位家中和藹的長(zhǎng)輩?！八娴囊稽c(diǎn)架子都沒(méi)有，就想純粹地搞科研，這種精神也影響了我們很多人?！标悷粢膺@樣描述常進(jìn)。榜樣的力量，潛移默化鼓舞團(tuán)隊(duì)中每一個(gè)人。

“悟空”號(hào)無(wú)疑是一個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)，35名成員中博士學(xué)位27人、含院士1人，國(guó)家杰出青年基金獲得者2人，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者3人，其他各類省部級(jí)以上人才計(jì)劃入選者6人。團(tuán)隊(duì)平均年齡34.2歲，35周歲以下占62.8%。

作為這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)頭羊，常進(jìn)注重青年科研人員培養(yǎng)，根據(jù)他們學(xué)歷層次高、知識(shí)面廣、思想活躍、接受新知識(shí)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用組織生活、學(xué)術(shù)活動(dòng)等多種形式教育引導(dǎo)。在他影響和幫助下，青年科研人員迅速成長(zhǎng)，在科研創(chuàng)新方面均作出顯著成績(jī)，成為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目骨干力量。

賡續(xù)“五四”精神

“悟空”號(hào)看上去并不大，它的長(zhǎng)寬高分別為1.5米、1.5米、1.2米，和一個(gè)冰柜差不多。從外表看，“悟空”從頂部到底部主要由塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器和中子探測(cè)器構(gòu)成，4種探測(cè)器一層層組裝。這4個(gè)探測(cè)器各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，可高精度地測(cè)量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

體積雖小，但整個(gè)衛(wèi)星的探測(cè)器有4.2萬(wàn)路電子學(xué)讀出電路、168路高壓電源、接近8萬(wàn)路探測(cè)器通道數(shù)，其復(fù)雜程度，超過(guò)我國(guó)地面最復(fù)雜的加速器實(shí)驗(yàn)裝置。而要將所有探測(cè)器及其電子學(xué)安裝在一立方米空間內(nèi)，技術(shù)難度超過(guò)我國(guó)目前所有的上天高能探測(cè)設(shè)備。

安裝完成的衛(wèi)星整體質(zhì)量為1.85噸，其中最核心的“悟空”的“眼睛”、即衛(wèi)星的有效載荷——高能粒子探測(cè)器，重達(dá)1.4噸。

高能粒子探測(cè)器又稱BGO量能器，其包含308根縱橫交錯(cuò)的晶體，這些特殊晶體每根60厘米長(zhǎng)，2.5厘米見(jiàn)方，是我國(guó)自主研發(fā)、世界最長(zhǎng)的BGO晶體。這些晶體能夠測(cè)量入射粒子的能量，從而獲取宇宙粒子蛛絲馬跡，每秒可以探測(cè)數(shù)百個(gè)宇宙線粒子，真可謂是“火眼金睛”。

每天清晨和傍晚，“悟空”號(hào)都會(huì)路過(guò)中國(guó)上空。位于北京密云、新疆喀什、海南三亞的三個(gè)數(shù)據(jù)接收站，每天接收它回傳的約16G數(shù)據(jù)?！拔蚩铡碧?hào)團(tuán)隊(duì)要從日積月累的海量數(shù)據(jù)中分析出有價(jià)值的科學(xué)成果。

想要穿越這片數(shù)據(jù)海洋，并非易事。團(tuán)隊(duì)需要輪班對(duì)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)第一時(shí)間對(duì)衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，單周工作時(shí)間超過(guò)100小時(shí)成為團(tuán)隊(duì)的常態(tài)，數(shù)據(jù)分析軟件團(tuán)隊(duì)也已進(jìn)行近萬(wàn)次優(yōu)化。

在團(tuán)隊(duì)成員岳川眼里，看似枯燥的數(shù)據(jù)分析工作也是一種挑戰(zhàn)。“有時(shí)也會(huì)迷茫和疲憊，但大家一起齊心協(xié)力攻克難關(guān)的成就感，也很吸引人”，他說(shuō)。

2017年12月的一天，晚上11點(diǎn)，岳川在觀測(cè)遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)率先發(fā)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)異常，“悟空”號(hào)仿佛突然“失明”。19個(gè)小時(shí)的爭(zhēng)分奪秒，每個(gè)成員都各司其職、分工協(xié)作，及時(shí)找出“病因”——可能是太空中的粒子擊中它身上攜帶的某臺(tái)計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)自動(dòng)重啟。經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜調(diào)整指令，信號(hào)最終重新連接，“天地大營(yíng)救”取得成功。

“空間科學(xué)項(xiàng)目十分復(fù)雜，一個(gè)人作用有限，要靠集體才能產(chǎn)生更大的能量?！泵鎸?duì)一個(gè)以青年為主的團(tuán)隊(duì)，常進(jìn)尤其重視團(tuán)隊(duì)的愛(ài)國(guó)主義教育，他把黨團(tuán)活動(dòng)引入實(shí)驗(yàn)室，始終把傳承和發(fā)揚(yáng)“五四”精神，作為塑造團(tuán)隊(duì)文化的重要環(huán)節(jié)。他要求青年科研工作者在國(guó)家重大工程中，團(tuán)結(jié)努力，在普通崗位上拼搏奉獻(xiàn)。從一開始只有兩人有航天工程經(jīng)驗(yàn)，到如今35人精細(xì)高效的運(yùn)作，“五四”精神早已厚植于團(tuán)隊(duì)文化中，形成“團(tuán)魂”。

常進(jìn)曾于2004年獲得“江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)隆保?019年，團(tuán)隊(duì)成員胡一鳴再次獲此殊榮。團(tuán)隊(duì)于2020年獲江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)录w，2021年被評(píng)為中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)录w。默默奉獻(xiàn)的青年科學(xué)工作者們?cè)谄椒矋徫簧嫌绿糁負(fù)?dān)，書寫不平凡的篇章，五四精神在這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)賡續(xù)。

總有些人的征途是星辰大海。談及使命和擔(dān)當(dāng)，團(tuán)隊(duì)成員提及最多的是熱愛(ài)祖國(guó)、勇挑重?fù)?dān)、敢于創(chuàng)新、當(dāng)仁不讓。2015年，“悟空”號(hào)實(shí)現(xiàn)中國(guó)天文衛(wèi)星零的突破；2017年，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的中國(guó)首顆太陽(yáng)衛(wèi)星獲批立項(xiàng)；2021年，團(tuán)隊(duì)已開始下一代暗物質(zhì)衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

“悟空”號(hào)團(tuán)隊(duì)這群年輕人，對(duì)祖國(guó)科技事業(yè)發(fā)展有著美好的期待和憧憬。他們以初心之力，一如既往地探索、維護(hù)，繼續(xù)堅(jiān)守空間天文陣地，為中國(guó)空間天文的持續(xù)進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。8A90B076-5F50-4E4C-B538-66AEBF6BEA63