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口述：常進（中科院紫金山天文臺） 整理：科學大院（ID：kexuedayuan） 常進：中科院紫金山天文臺副臺長，研究員，中國暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學家（資料圖） 今天很高興有機會在這里，把暗物質(zhì)的情況給大家分享一下。給大家簡單介紹一下什么叫暗物質(zhì)，暗物質(zhì)是怎么發(fā)現(xiàn)的，相關的構(gòu)成，以及如何探測暗物質(zhì)，國際目前最新的探測暗物質(zhì)的情況是什么樣的等。 我們是天文觀測者，唯一的特長是用望遠鏡去觀測。所有的問題，我們都希望能通過望遠鏡看清楚，希望通過物理的探測，研究它物理的本質(zhì)。 打個比方，我們的工作就像人口普查，只不過為了弄清地球上人口的分布情況，我們可能是通過造一個望遠鏡到天上去，晚上來觀測地球表面的發(fā)光情況，根據(jù)光亮的大小，把人口估算出來。 可是沒有亮光，是不是就沒有人呢？通過發(fā)光的方法研究人口，其實不一定準確。 回過頭來，我們講暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。 測量物質(zhì)的分布，其實跟剛才一樣，也可以通過發(fā)光的方法。消除了距離的不確定因素、發(fā)光的多少、強度的大小，就可以把整個天體的質(zhì)量大概的估算出來。 我們把這個問題引入到更宏觀，測量天體的質(zhì)量。其中一種方法是測量天體的發(fā)光度，根據(jù)發(fā)光的強度算出來發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量。還有一種方法，根據(jù)萬有引力定律，測量物質(zhì)的質(zhì)量或者天體的質(zhì)量，即是去測量速度和距離的關系，把速度和距離測出來了，天體的質(zhì)量就可以測出來。 人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)的時候，把人造衛(wèi)星到地球的距離測出來，人造衛(wèi)星在該距離上的速度測出來，地球的質(zhì)量就測出來了。衛(wèi)星離地球遠的時候，速度會慢下來，離地球近，速度會很快。當我們觀測到如果人造衛(wèi)星離地球很遠的時候，它還保持那么高的速度的話，人造衛(wèi)星肯定要跑出地球，進入太陽系。如果速度再大，它就可能飛出太陽系。 上世紀三十年代，瑞士天文學家Fritz Zwick在研究Coma星系團的時候發(fā)現(xiàn)星系團中的星系彌散速度非常大，根據(jù)維里定理計算出的星系團的總質(zhì)量要遠大于根據(jù)發(fā)光度計算出來的星系團質(zhì)量。也就是說星系的運動速度太快了，僅靠星系團中的發(fā)光物質(zhì)是束縛不住速度如此大的天體的。他推測星系團中存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)，并稱之為暗物質(zhì)。 小朋友弄一個球，繞著繩子轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的速度越來越快，球肯定要飛出去，道理是一樣的。 當時測量星系的速度，光譜儀的測量精度還不是很高，盡管他當時提出了暗物質(zhì)的想法，但是并沒有得到大家的認可，大家認為有可能是系統(tǒng)誤差，測不準。 過了三四十年，到上世紀70年代，美國有一個女天文學家Vera Rubin（她除了諾貝爾獎外，已經(jīng)得到了物理學上所有的獎）。她當時觀測速度采用的是世界上最先進的光譜議，測量的誤差很小，也就是說測量技術沒問題。 她觀測的不是星系團，而是星系里面恒星和其他星際物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)萬有引力定律，隨著距離的增加，速度往下降。但是她發(fā)現(xiàn)實際觀測中，距離增加時，速度并沒有往下降，跟萬有引力相差比較大。 星系里面這些物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)速度太快了，光靠發(fā)光物質(zhì)的引力無法將恒星束縛在星系里面。如果質(zhì)量的分布就是發(fā)光物質(zhì)的分布的話，這些物質(zhì)早就跑到星系外?，F(xiàn)在沒有這樣，這說明星系里面必然存在大量的看不見的物質(zhì)，也就是暗物質(zhì)，其產(chǎn)生的引力才能將這些物質(zhì)束縛在星系里。 這個就是暗物質(zhì)的概念。從上世紀70年代開始，漸漸得到了人們的認可。 這位女天文學家早期研究的是星系成群還是隨機分布?，F(xiàn)在我們知道，存在大量的看不見的暗物質(zhì)，首先形成網(wǎng)，像引力井一樣，可見物質(zhì)掉到引力井里面，漸漸形成了恒星、星系、星系團，星系團肯定是成團分布的，宇宙網(wǎng)的基點上是星系團。 這些認識現(xiàn)在得到了大家的認可，但是在上世紀50年代，她博士論文中的這個結(jié)論，卻15年沒有得到認可，因為按照當時的理論分析，星系應該是隨機分布的，均勻分布的星系是不會成團分布的。 銀河系里面的恒星有四大旋臂，這些恒星都在臂上，并不是在星系里面均勻分布，也是成群、成團的分布?，F(xiàn)在這些問題很容易解釋，在那個時代，還沒有人發(fā)現(xiàn)。研究星系旋轉(zhuǎn)曲線，得到了暗物質(zhì)概念，基本上她算成功了。 其實，她發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)之前，一個丹麥天文學家早就發(fā)現(xiàn)了銀河系里面的恒星旋轉(zhuǎn)，其速度并沒有隨著距離的增加而降低，而是保持不變。但他認為可能是測量的問題，可能是系統(tǒng)誤差，他盡管發(fā)表了，但是沒去解釋暗物質(zhì)，從其他方面去解釋的。 這告訴我們，在研究過程中，一些看似不起眼的蛛絲馬跡，很可能會導致重要的發(fā)現(xiàn)。對一些特殊的現(xiàn)象，要深入的研究，而不是簡單的把它放過去。 我們再看太陽系。按照發(fā)光物質(zhì)的分布，太陽與銀河系的中心大概是8KPC（編者注：KPC，千秒差距，天文學上量度距離的單位，1KPC等于一千個秒差距或者3260光年）的距離，推斷出來的速度是每秒160公里，而最新的測量數(shù)據(jù)是每秒240公里。也就是說，理論上發(fā)光物質(zhì)的分布得到的速度要高50%，太陽系必須存在大量的看不見的暗物質(zhì)，否則太陽就飛出銀河系。 剛才是旋轉(zhuǎn)曲線，人們認為牛頓的萬有引力定律，可能在宇宙學的尺度上存在問題，要得到距離和速度的關系，我們可以通過修改萬有引力定理得到曲線。 星系發(fā)光物質(zhì)的分布，當然可以通過錢德拉望遠鏡把它觀測出來。 研究兩個星系的質(zhì)量分布，我們還可以通過另外一種方法，引力透鏡。 今年年初引力波很轟動，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，光線在引力場中不是沿直線傳播的，而是會有一定彎曲。根據(jù)光線的彎曲的大小，可以把質(zhì)量分布測出來。 兩個星系團碰撞時，暗物質(zhì)不發(fā)生相互作用，有沒有物質(zhì)，產(chǎn)生的速度一樣。但是普通物質(zhì)和普通物質(zhì)之間存在著相互作用，所以它走的慢一點。這樣就形成了一個只包含暗物質(zhì)的區(qū)域，這樣的觀測結(jié)果是無法用修改引力的方法很好的解釋的。 世界上沒有一個容器能把暗物質(zhì)裝起來，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)不發(fā)生任何相互作用，任何東西都擋不住暗物質(zhì)。想把它抓住，不可能，它會從你的身上溜走。這種觀察技術出來以后呢，基本上暗物質(zhì)越來越受到大家的認可。 宇宙中95%的是看不見的物質(zhì)——暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占宇宙的總能量密度的27%，人類只弄清了宇宙的5%（即可見物質(zhì)）。 根據(jù)當前的觀測技術，基本上可以把暗物質(zhì)的物理性質(zhì)統(tǒng)計出來，不發(fā)光，密度大?？梢娢镔|(zhì)是5%，暗物質(zhì)是可見物質(zhì)的5倍，27%。暗物質(zhì)壽命長，它來自于宇宙大爆炸，現(xiàn)在已經(jīng)138億年，如果暗物質(zhì)的壽命很短的話，它早就衰變了，不存在了。 由于標準模型中的所有基本粒子，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，所有的基本粒子我們都找到了，沒有一個基本粒子與暗物質(zhì)粒子相匹配，標準模型中所有的粒子都不滿足這些性質(zhì)。也就是說，如果我們找到了暗物質(zhì)粒子，它肯定不在標準模型里面，這也就意味著現(xiàn)有的標準的物理學模型會得到突破。這也是為什么暗物質(zhì)這么熱。 宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的，這是愛因斯坦講的，他完成了廣義相對論，說出了這一段話，通過廣義相對論，他認為能把整個宇宙了解了。但是他把這個話說早了，現(xiàn)代宇宙還沒有完全理解，因為暗能量和暗物質(zhì)還沒弄清楚，宇宙到現(xiàn)在為止，還是不可以理解的。 現(xiàn)在是一個探測暗物質(zhì)的時代，把暗物質(zhì)弄清楚，肯定會導致物理學革命。 怎么探測呢？有三種方法。 第一種是在加速器上模擬宇宙大爆炸。 加速器探測就是通過高能粒子碰撞，模擬宇宙大爆炸，將暗物質(zhì)粒子打出來，然后去探測，這比較容易理解。 人們弄清楚了高能粒子都是可見的，通過可見的高能粒子碰撞，產(chǎn)生看不見的暗物質(zhì)粒子。 世界上最大的加速器在瑞士，有兩個大的實驗裝置，一個是ATLAS，一個是CMS，這兩個設備都耗資10億元以上，用來探測最高能的基本粒子。在暗物質(zhì)問題上，已經(jīng)工作了五六年了，還沒有取得任何革命性的進步。對暗物質(zhì)不同的模型，提出了一些限制，但是沒有根本性的找到暗物質(zhì)粒子。 第二種方法，在地下直接探測。即在地下直接探測暗物質(zhì)粒子與普通原子核碰撞產(chǎn)生的信號。 暗物質(zhì)粒子和普通原子也許會存在碰撞，就像兩個小球碰撞一樣。暗物質(zhì)不可見，但是暗物質(zhì)和普通的原子核碰撞以后，普通的原子核會動起來，如果原本靜止的原子核動了一下，就可能是暗物質(zhì)碰撞引起的。這種方法就是通過探測暗物質(zhì)粒子與普通原子核碰撞產(chǎn)生微弱信號來探測暗物質(zhì)粒子。 為什么要到地底下去呢？ 我必須把本底加上。 其一是我們的地面上，使用的一般材料里面都有很微量的放射性元素，這些放射性元素衰變的時候，發(fā)出的能量范圍和暗物質(zhì)粒子碰撞范圍一樣。 其二是宇宙線，天上隨時隨地有大量的高能粒子飛到大氣里面，高能粒子和大氣作用，產(chǎn)生大量次級粒子，這些次級粒子也是暗物質(zhì)粒子探測的本底。 把宇宙射線本底屏蔽掉，必須放在地底下。放的越深，宇宙射線產(chǎn)生的本底會越低。這種實驗很熱，韓國、中國臺灣都有這樣的實驗去探測暗物質(zhì)。 我們國家將在錦屏山地下建世界上最深的地下實驗室來探測暗物質(zhì)。我們國家的實驗室深2500米。它不是往地底下去，而是在高山打隧道，在隧道里面建實驗室。在四川的錦屏山雅礱江，為了建這個實驗室，打了一個隧道，穿過錦屏山。 如果我們要探測暗物質(zhì)跟原子核的碰撞，現(xiàn)在有三種物質(zhì)可用于實驗，一種是半導體硅，讓硅原子和暗物質(zhì)碰撞。另一種是氙氣，氙是惰性氣體，大氣里面會存在微量的氙。還有氬。 假設暗物質(zhì)的質(zhì)量是120個氫原子核，一個人是50公斤，每秒鐘是5億個暗物質(zhì)粒子穿過你。如果是一個GeV呢，提高10倍，每秒鐘有50億個暗物質(zhì)粒子穿過你。不要害怕，如果穿過你，和你發(fā)生影響了，我們早就探測到暗物質(zhì)粒子了，現(xiàn)在探測不到就是因為它和你沒有發(fā)生任何相互作用，我們找不到。 探測方法有兩種，一種是時間調(diào)制法，一種是事例搜尋。 地球繞太陽轉(zhuǎn)是圓圈，太陽繞銀河系也在轉(zhuǎn)。從銀河系里面假定一個暗物質(zhì)風，不停的吹出來。春天，暗物質(zhì)風和地球運動的方向是一致的。秋天是相反的，繞了一圈，有時跟暗物質(zhì)同向，有時跟暗物質(zhì)反向。 這就好比如果你和人群是同方向運動時，你每秒鐘碰到的人數(shù)基本上不變；如果和人行的方向相反，不停的碰到不同的人。因為你碰到的暗物質(zhì)粒子一年四季不一樣，會看到一個調(diào)制現(xiàn)象，春天多，秋天少。根據(jù)時間變化，我們可以找到暗物質(zhì)。根據(jù)一年四季碰到的暗物質(zhì)粒子的數(shù)目不一樣，探測變化的曲線，這是時間調(diào)制法。 我們中國科學院高能物理所和羅馬的幾個大學合作，在意大利探測到了調(diào)制曲線。春天、夏天、冬天溫度是變化的，濕度是變化的。由于溫度濕度的變化，大氣的變化，都會產(chǎn)生這些調(diào)制現(xiàn)象。調(diào)制究竟來自于暗物質(zhì)，還是來自于一年四季氣侯的變化，現(xiàn)在還沒有弄清楚。 現(xiàn)在的實驗做調(diào)制，是一個放在南半球，一個放在北半球。如果看到的調(diào)制是一樣的，基本排除了細微的變化。 但是時間調(diào)制法需要很長時間，這個實驗做了八年，到現(xiàn)在還沒有得到認可，也許過一段時間，能得到肯定的結(jié)論。 我們剛才講了，所有的本底來自宇宙射線和材料，通過材料、集團到地底下，把本體降為零，如果來一個信號，肯定來自暗物質(zhì)粒子。無法區(qū)分的本底，通過探測器的技術把它區(qū)分開。原子核動一下是一個能量，把能量轉(zhuǎn)變成光信號、電信號、熱信號，通過探測光、電、熱來探測暗物質(zhì)粒子。也就是說，把暗物質(zhì)粒子碰撞的原子核能量轉(zhuǎn)變成光信號、電信號、熱信號，通過光的變化、電的變化和溫度的變化探測暗物質(zhì)粒子。這是臺灣在使用的技術，不是新的技術。要是把三種技術組合在一起，我們可以把暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的反射原子核的信號和宇宙線本底區(qū)分開來，探測暗物質(zhì)粒子。 把暗物質(zhì)粒子碰撞原子核產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)變成光、電和熱信號來探測暗物質(zhì)粒子。這樣的我們有兩個實驗室，一個是清華大學的，把暗物質(zhì)產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)變成電信號探測暗物質(zhì)粒子。另一個是上海交大的，是讓暗物質(zhì)粒子和大氣里面的惰性氣體原子核碰撞，原子核動一下會發(fā)光。把探測器加上強電場，通過探測光和電兩個信號來探測暗物質(zhì)粒子。 世界上那么多實驗室探測暗物質(zhì)粒子，目前為止，沒看到具體的信號，只給出了一個下限。一般的探測器100公里內(nèi)探測到，說一下100公里有多少原子，我可以把暗物質(zhì)碰撞的概率算出來。這是一個截面，碰撞的概率，現(xiàn)在到10的負45次方，還沒有找到它。人們認為再過四五年時間，把實驗室做得更大一點，或許就能探測到概率更低的信號。 第三種是到空間間接探測。到空間去間接探測暗物質(zhì)粒子在與暗物質(zhì)粒子碰撞以后，會產(chǎn)生看得見的粒子，通過探測這些看得見的粒子去探測看不見的暗物質(zhì)粒子。我國去年發(fā)射的暗物質(zhì)粒子衛(wèi)星“悟空”就屬于這一種，待會兒詳細介紹。 天上的本底很多，天上的高溫粒子太復雜了，什么樣的高溫低密度的都有，通過探測什么樣的粒子能探測暗物質(zhì)粒子？ 首先想到探測反物質(zhì)粒子，因為反物質(zhì)粒子來自于原初粒子碰撞產(chǎn)生的次級粒子，也就是原初粒子，與星際界體、與物質(zhì)作用才會產(chǎn)生反粒子。在天上的質(zhì)子是最多的高能粒子，但是反質(zhì)子很少，只有質(zhì)子的萬分之一。 暗物質(zhì)粒子湮滅時會產(chǎn)生質(zhì)子和反質(zhì)子，如果通過產(chǎn)生粒子探測暗物質(zhì)粒子，本底大概高6萬倍，如果反粒子，本底很低，容易探測到。但是怎么探測反粒子？通過磁場。帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)，根據(jù)帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)的方向，可以定住帶電粒子的電的極性。 在天上放一個強大磁場是很難的事，人類花了十幾年時間，希望在天上放一個超導體，到現(xiàn)在為止，都沒成功。這次上天的并不是一個超導磁鐵，而是一個普通的永久磁鐵?？偟闹亓渴?噸，要把一個7噸重的東西送到天上去是很難的事，耗資也很大，大概耗資20億美元。 永磁鐵磁場強度不夠強，由于磁場強度的限制，高能粒子增加的時候，偏轉(zhuǎn)角度越來越小，以至于測不出來，到300個GeV的時候，偏轉(zhuǎn)角就測不出來了，把偏轉(zhuǎn)的方向測反了的大概是10%。10%不是一個很大的數(shù)目，但是我剛才講了質(zhì)子和反質(zhì)子相差1萬倍，10%也就是讓你的本底一下提高了1000倍，顯然測量方法會受到能量限制，隨著能量的增加，這種方式不現(xiàn)實，不能用磁譜儀，我們必須尋找另外的方法。 另外的方法怎么探測暗物質(zhì)？ 尋找一些特征信號，比如說伽瑪射線譜線，如果落在GeV以上，探測到伽瑪射線譜線，這就是暗物質(zhì)粒子最強的證據(jù)，因為沒有其他的天體物理過程能在GeV以上產(chǎn)生伽瑪射線線譜。 第二個是高能帶電粒子的電子頻段。其實它也是一個譜線。由于高能粒子在銀河系里面?zhèn)鞑サ臅r候，銀河系里面有磁場，在磁場中傳播它會轉(zhuǎn)彎，會產(chǎn)生能量。銀河系里面有大量的背景光，尤其電子跟背景光發(fā)生相互作用。高能電子在銀河系傳播，你看到的不是一個線譜，而是一個連續(xù)譜，它的能譜有一個，這個截斷就是暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量，暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的高能電子的能量不能超過這個質(zhì)量，這是暗物質(zhì)粒子的特征。 我們知道銀河系里面的物質(zhì)分布是盤狀的，如果我探測到伽瑪射線譜線，分布是球狀的，也可以是云狀的，這也是暗物質(zhì)產(chǎn)生的強烈證據(jù)。普通的物質(zhì)是盤狀的，不可能產(chǎn)生云狀的伽瑪射線分布，只有暗物質(zhì)和暗物質(zhì)相互作用的時候才會產(chǎn)生。銀河系里面的暗物質(zhì)分布和普通物質(zhì)不一樣，它是球狀分布或者云狀分布。 最近的觀測有了一些進展，地下有進展，沒看到信號，天上看到了信號，但是沒辦法判斷這些信號來自于暗物質(zhì)，還是來自于特殊的天體物理構(gòu)成。AMS看到天上的正電子隨著能量的增加，并沒有下降，而是在上升。多出來的正電子來自哪兒？可能是暗物質(zhì)，也可能是我們沒弄清楚的特殊的天體物理過程。 十幾年以前，我們在南極放了氣球，觀測到宇宙的電子譜和宇宙線模型相比，也有一個超出，超出的部分來自哪兒，也不清楚。 我們看到了一些信號，反電子、正電子、電子與宇宙線模型相比，有一些超出。看到了暗物質(zhì)六個特征里面的五個，最關鍵的沒看到。現(xiàn)有的探測器由于儀器的靈敏度的限制，或者是分辨的限制、能力的限制，沒辦法把六個特征全部探全。 一般的磁譜儀到了300個GeV的時候，粒子不多了，我們希望用一個新的探測器，測量能段要比AMS-02高10倍以上，把天上的本底區(qū)分開來。這就是提出暗物質(zhì)衛(wèi)星的依據(jù)。 為什么提出這個項目？現(xiàn)有的所有的天上的儀器無法給出一個確切的結(jié)論：究竟有沒有暗物質(zhì)？它在哪兒？物理性質(zhì)是什么？由于它們能力的限制，沒辦法有明確的進展，我們必須造一個新的探測器上天。 我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，名字叫悟空，英文名字是DAMPE，是尋寶游戲里面的關鍵人物，要找到寶貝，必須要找到DAMPE，只有它靈敏，才能把寶貝找出來。我們給它取名DAMPE，希望悟空像DAMPE領著我們找到暗物質(zhì)粒子。 科學院每五年在天上放幾個衛(wèi)星研究空間科學的前沿科學問題（編者注：即中科院空間先導專項），我們是第一批項目者。 衛(wèi)星軌道是500公里高，離地球表面500公里，太陽同步軌道降交點地方時為6點30，什么意思呢？早上6點30進入上空，晚上6點30是回來的時間，每一個地方是固定的。重量是1850公斤，功耗600瓦，每天大概搜集到16GB的數(shù)據(jù)。是去年發(fā)射的。 這個探測器并不是我們紫金山天文臺一家單位完成的，由五家單位聯(lián)合研制，紫金山天文臺、高能物理所、近代物理所、國家空間科學中心和中國科技大學。還包括了國際合作，我們邀請了瑞士的大學和意大利的大學，參加我們暗物質(zhì)衛(wèi)星的研究。 探測器由四個部分組成。 塑閃陣列探測器是一米平方的大的塑閃陣列。 硅徑跡探測器是高能物理所和瑞士大學、意大利大學聯(lián)合研制的。 BGO量能器是由中國科學技術大學和紫金山天文臺研究的。 還有一個中子探測器，是由紫金山天文臺研制的。 這四個探測器組織在一起，它是高空間分辨和高能量分辨的高能粒子、伽瑪射線無線望遠鏡。我們一般用的望遠鏡是筒子一樣的，但跟它的波段不一樣，如果光子擴散的波很長，像無線電波段，望遠鏡就不是一個波了，你家的電視天線就是一部望遠鏡。到了高能粒子的望遠鏡，望遠鏡不是一個望遠鏡，是高能粒子探測器，人得到高能粒子的能量方向，作用和望遠鏡一樣，不是我們通常所說的望遠鏡。 整個探測器有75916路子探測器，什么概念呢？我們國內(nèi)最大的加速器是北京譜儀，北京譜儀上所有的子探測器加在一起才4萬多，我們這個探測器有7萬多路子探測器。我們這么復雜的探測器必須把它裝在1米見方的小空間，重量是1噸，有很大的難度。 “悟空”的探測對象是高能電子、伽瑪射線和宇宙射線質(zhì)子和重核成分等。望遠鏡的測量是有能量范圍的，除了暗物質(zhì)以外，我們還可以研究宇宙射線起源。人類發(fā)現(xiàn)宇宙射線也有100年了，但是它究竟來自于哪種天體，還不清楚。宇宙射線的起源到現(xiàn)在為止，還是一個未解之秘，也是一個前沿科學問題。 我們通過測量高于GeV的高能電子，可以知道它的來源，為什么？當?shù)靥綔y到的高能電子一般來自于附近的天體，不可能太遙遠，太遙遠的地方的高能粒子傳播不過來，在地球上看到的是來自于附近，但是GvE以上的高能電子來自于很近的源，發(fā)散于附近，很微弱的，這地方有百分之幾的變化。如果你能看到這樣的變化，也就是相當于看到了無盡的宇宙射線源，這也是一個很重要的前沿問題，“悟空”也可以研究伽瑪射線天文，它本身就是伽瑪射線的望遠鏡。 暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，可以探測電子、伽瑪射線、質(zhì)子事例，每個事例都有四個物理量，能量、方向、電荷和時間，把它組成12個信號，可以解決所有的科學問題。 探測器的研制是一件比較復雜的事情，上空間的東西經(jīng)過三個階段。第一個是方案階段，第二個是初樣階段，第三個是正樣階段。方案階段必須要證明你的方法可行。在初樣階段，證明你研制的探測器能在天上工作，在地球經(jīng)過嚴酷的環(huán)境實驗，證明這個探測器在天上能工作。正樣階段是把探測器重做一遍。 我們的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是2011年12月立項，電性件是小型的暗物質(zhì)粒子探測器，在地面證明能正常工作，然后拿到歐洲去標定一下，證明你的方法可行，才能進入初樣階段。 初樣階段，就是要研究和它一樣大的探測器。但是通過這樣的探測器證明你的探測器能在天上嚴酷的環(huán)境能生存下來，要做各種各樣的實驗，溫度實驗、力學實驗等等。實驗全部通過了，才可以做一個樣機。 我們的探測器要滿足暗物質(zhì)探測，提出了很高的指標，動態(tài)范圍。什么叫動態(tài)范圍？探測器從最弱的信號到最強的信號要覆蓋得寬，我們的覆蓋寬度是18萬倍，最低的能量到最高的能量之間差距是18萬倍，是世界上動態(tài)范圍最大的探測器。 探測器是1.06噸，整個衛(wèi)星重量1.9噸，暗物質(zhì)粒子探測器是1.45噸。里面有616支光電倍增管，616路高壓電纜，1848路信號電纜，4.5萬個高壓焊點，16塊電子學板，92只接插件，136路熱電，就是測溫度的溫度計，48路也是測溫度的，這個精度高一點。要把這么多東西裝在一個很小的空間里，是一件很困難的事，用了很多的時間。 分壓板有兩個硬幣這么大，這么小的板子沒有什么高技術，但是我們要把它做好。18萬倍的動態(tài)范圍，最主要的就是由分壓板來保的。 我們有兩個教室，定了30個版本，花了一年半時間才把它做好。但是要把它配合到一起，滿足18萬倍，是很困難的事。 我們做了大量的實驗，做了30版，每次追8000個問題，再提高，再改。我們還要委托日本的公司一起做，花了一年多的時間，發(fā)現(xiàn)我們的動態(tài)范圍比日本人更大一點。 看上去很簡單的一件事，把它送上天要做很嚴格的實驗，保證你的性能達到指標，才能把它送上天，否則你前面的工作全是白費。 接著是電性件研制。需要做一個小的探測器，大部分是中國科技大學的學生完成的，但是老師先把它設計好，學生把它制出來。制出來一個小型的樣機，相當于暗物質(zhì)粒子探測器的八分之一的大小。2012年7月，我們在南京進行測試。 除了進行工程樣機的制作，還要做一個工作，是什么呢？如果探測器太重了，1噸多重，中國沒有一個衛(wèi)星有1噸重，需要我們證明1噸重的東西能夠上天。我們做了結(jié)構(gòu)，用鐵棒模擬它，把所有的外形和上天的面做好。把它放在衛(wèi)星上，跟衛(wèi)星一起，保證衛(wèi)星發(fā)射的時候，能夠滿足口徑和震動的條件。 鑒定件是工程樣機，和天上一樣，但是要滿足天上嚴酷的環(huán)境。 每一個板子做好以后，不能立即裝上去，經(jīng)過18.5次的高低溫循環(huán)，保證板子的性能不變，才能裝在探測器上。一塊小的電路板要經(jīng)過16個工序才能做好。幾十個工人干了一個月。做好了以后，拿回到中國科學技術大學進行安裝測試。測試完了以后，還要跟晶體進行配對測試，把它匹配好。 宇宙線陣列測試也是在中科大。每一個線路板都要經(jīng)過18.5次的熱循環(huán)，從零下25度到零上45度，證明它能碰撞。由于有8000多根電纜，全部在1米見方里面安排好，否則就亂套了。把它編成一個辮子，怎么編，都要測試。測試通過了，發(fā)現(xiàn)能工作，我們再真正開始干。 2013年12月30日，我們開始做樣，前面的預備工作都準備好了。工人們把它梳理好，編成辮子，把插頭裝上去。測試完了，再把電路板繞上去。 2014年臘月二十八，還有兩天過年，我們才把初樣制好，工人回去過年。從正月初三開始，我們再回來進行測試?？傃b以后，所有的機構(gòu)再測試一遍。噪聲水平達到要求，每層的均勻性達到要求，還有天上的宇宙線的測試。 全部完成了，我們從2月份開始把它運到上海去進行磁測試，因為衛(wèi)星上有磁的傳感器，如果你的探測器有很強的磁場，會影響其他的衛(wèi)星沒辦法正常工作。就跟手機一樣，你的手機不能影響別人的手機，但是別人的手機打開的時候也不能影響你。我們的探測器發(fā)出的無線電信號不能影響別人，別人的無線電信號不能影響我們，這叫電磁兼容。 太陽光照到的時候，衛(wèi)星的溫度高，太陽照不到的時候，衛(wèi)星的溫度低，衛(wèi)星的溫度每天都在變化。為了模擬這個變化，我們的探測器必須拉到一個箱子里，這是一個房間，從上噴液，把溫度降下來，底下通過電爐把溫度升上來，要做13.5次循環(huán)，證明你的東西能碰撞，從零下60度到零上60度。 我們還要把探測器拉到真空里面，這個真空桶大概有三層樓高，模擬在真空的情況下，溫度再變化，你的探測器能不能正常工作，我們總共花了1個月的時候，從3月1日到4月3日把實驗做完。 2014年4月份，我們把指標再測試一遍，證明給專家看，我們的東西能夠通過天上嚴酷的環(huán)境正常工作，然后把它交付衛(wèi)星。 在交付衛(wèi)星之前，還要做一個實驗，把它組合成一個望遠鏡，要進行測試，你不能影響別人，別人也不能影響你，你要和別人配合工作。 4月20日，我們把它運到上海，裝在衛(wèi)星上，把實驗再做一遍，到8月份，又花4個月的時間，把實驗重做一遍。把它裝到衛(wèi)星上，要重做剛才所有的實驗，又花4個月的時間。一直到2014年8月底，我們開始進行正樣階段的研制。 前段時間同學們看新聞，日本人的衛(wèi)星失敗了，最根本的原因是軟件判斷寫的不是很好。我們的軟件總共有3萬5千行，一行寫錯了，就可能導致衛(wèi)星失敗。日本人沒考慮太全面，導致了衛(wèi)星越轉(zhuǎn)越快，最后把衛(wèi)星轉(zhuǎn)散了。軟件也是在天上很重要的一塊。我們做了測試，證明軟件的功能。 因為“悟空”是到天上測量光的粒子，所以能不能測量到，測量的準不準，要做標定。我們國內(nèi)還沒有高能量發(fā)射源或者加速器來滿足我們衛(wèi)星的條件，我們的衛(wèi)星必須拉到瑞士去，做束流標準。什么叫束流標準？加速器把高能粒子引出來，打到探測器上，看探測器能不能正常工作。 我們的“悟空”號衛(wèi)星經(jīng)過能量測量，是世界上最高的水平。方向測量和世界上最高的水平相當。電荷測量的水平也是和國際上最高水平相當。在上天之前，我們的指標基本上達到世界領先，或者和世界上最高指標相當。 天上的高能粒子每秒鐘是固定的，你要把暗物質(zhì)的信號測到，需要更多的時間等。 兩年之內(nèi)，我們要做全天覆蓋，每個角落都要看到，根據(jù)全天的測量結(jié)果，我們觀測感興趣的，暗物質(zhì)多的地方，進行一年的定向掃描，我們計劃在年底把第一批科學結(jié)果向全世界公布。 謝謝大家！ （本文首發(fā)于科學大院，內(nèi)容整理于常進研究員在中科院自然史所的科普報告，轉(zhuǎn)載請注明出處并保留下方二維碼）  大院熱門文章top榜 點擊文章標題，可直接閱讀哦~ 1、為何你不應該反對轉(zhuǎn)基因？百余名諾獎得主聯(lián)名發(fā)聲 5、 科學家，怎么對表？ 6、“整裝”待發(fā)，F(xiàn)AST“大鍋”的那些小事兒  科學大院 ID：kexuedayuan 從此，愛上科學~ |
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