本期“大國科技範”欄目，我們來為大家介紹一下“悟空號”暗物質探測衛星。

說到悟空，大家首先想到的一定是西遊記裡神通廣大的齊天大聖孫悟空，他有一雙火眼金睛，能洞察世間萬物。

我國自主研發的“悟空號”衛星也有“火眼金睛”，它有著能譜範圍最廣、信噪比最高的粒子探測器，能夠清晰地觀測到宇宙射線中的正反電子、γ射線以及正反質子等高能粒子。

不過，“悟空號”的任務也不簡單，它被設計用來尋找宇宙中的暗物質粒子，並研究暗物質粒子的性質。

下面，就讓小編為大家介紹一下神秘的暗物質與身負重任的“悟空號”吧~

神秘的暗物質

人類有一雙慧眼，可以接收外界的光來感知世界的樣子。後來，人們發明了各種探測器，用來幫助人們看到人眼看不到的事物。

這些探測器儘管種類多樣，但多數也都是通過直接或間接地探測包括可見光在內的電磁相互作用來幫助人們認識世界的。

我們知道光的本質是電磁波，也就是電磁場的“漣漪”。

我們的宇宙中有許多的物體都能發光，即便那些不發光的物體，大部分也能反射光，或者說與電磁場發生其他複雜的相互作用。人們一度認為，我們的宇宙完全是由這些“看得見”的事物組成的。

普通物質可發光或與光發生相互作用

然而，科學家們在觀測星系時發現，構成星系的恆星和其他物質本身提供的引力不足以維繫星系的結構。

星系裡面的各個恆星都運動得太快了，以至於按照已有的引力理論推算，它們相互間的萬有引力無法再拉住彼此。

僅靠引力不足以維繫星系結構

不過，這些看似要解體的星系卻依然好好地待在那裡，並沒有像人們預言的那樣分崩離析。

我們生活的銀河系也是如此，太陽系繞銀河系中心運動的速度太快，高達每秒240公里，按照已有的引力理論，太陽系本該早就被“甩”飛了。

於是，科學家預言，一定有什麼我們還沒發現的物質“潛伏”在星系的內部，甚至每時每刻都陪伴在我們身邊。

之所以科學家一直沒有發現它，是因為它既不發光，也不反射光，甚至完全不產生電磁相互作用，只存在引力相互作用。

由於這種物質與光“格格不入”，顯得“黯淡無光”，於是，科學家就順勢給它起了“暗物質”這個名字。

經過推算，暗物質佔全宇宙所有物質的25%，而我們熟悉的能和電磁場發生作用的普通物質僅佔不到5%（剩下的約70%為暗能量）！

也就是說，我們目之所及的宇宙，不過是冰山一角，組成這個世界的大部分物質是我們不曾看到、不曾瞭解的。

於是，為了弄清楚暗物質的性質，各國都建設了各種各樣的暗物質探測器，中國也沒有落下，於2009年建設了錦屏地下實驗室用於探測暗物質。2015年12月17日，發射了“悟空號”暗物質探測衛星。

那麼暗物質到底怎麼探測呢？“悟空號”裡又有什麼黑科技呢？

“悟空號”的火眼金睛

“悟空號”本質上是一個性能卓越的望遠鏡。與別的望遠鏡不同的是，“悟空號”接收的不是人眼能看見的可見光，而是接收並探測宇宙中的高能粒子，包括高能正負電子、γ射線（一種能量極高的光）和正反質子等。

“悟空號”發射信息（來源：墨子沙龍）

講到這裡，可能有小夥伴會問，不是說好探測暗物質嗎？怎麼變成探測高能粒子了？這些高能粒子雖然也很不尋常，但畢竟還是屬於那5%普通物質的範疇啊！

其實，這恰恰是“悟空”的聰明之處。

暗物質雖然不是普通物質，但它依然屬於物質。既然是物質就一定由無數的微觀粒子構成，我們姑且稱之為“暗物質粒子”。

暗物質粒子雖然不發光，也不會與電磁場發生相互作用，但作為微觀粒子的它，如果與它的反粒子碰撞就會發生湮滅，而湮滅的產物恰恰是那些尋常的高能粒子。

如果我們觀測到了暗物質湮滅產生的高能粒子，它無法用已有的粒子電磁相互作用模型來解釋，就意味著我們可能觀測到了暗物質。

並且通過研究湮滅產生的高能粒子的能量、種類和其他信息，我們甚至還能反推出暗物質粒子的一些物理性質，不僅“看到”了它，還能“瞭解”它。

這就好比我們交警通過車禍現場的殘骸推斷碰撞前的情形，我們通過探測正反暗物質粒子碰撞後的“殘骸”，就能瞭解暗物質粒子本身的性質。

“悟空號”正是通過捕捉暗物質粒子湮滅後產生的高能粒子來發現並分析暗物質粒子的，這種探測方法被稱為暗物質的間接探測。

弄清了“悟空號”的探測原理，我們再來看看它搭載的高能粒子探測器的結構吧~

“悟空號”的結構與性能

在“悟空號”之前，其他國家也曾發射過暗物質探測器，不過無論從探測精度上還是探測範圍上都不如“悟空號”。

“悟空號”搭載的高能粒子探測器主要由塑閃陣列探測器、硅徑跡探測器、BGO量能器、中子探測器四部分組成，包含了7萬多個子探測器。

也就是說，每一個高能粒子入射到“悟空號”的探測器時，都會產生7萬多個信號。根據這7萬多個信號，我們可以準確地推算出入射粒子的能量、方向、電荷，並鑑別出粒子的種類，以間接地測量暗物質粒子。

它可探測的能量範圍是5GeV到10TeV，是目前世界上可探測能量範圍最廣的衛星，達到了世界最高水平。

在探測的精度上，“悟空號”也是全球第一！對於能量在1TeV數量級的高能粒子，它的能量分辨率是1.4%，比目前世界上所有高能粒子探測衛星的分辨率都高兩倍以上，可以觀測到之前的衛星看不清的細節。

我們知道宇宙中並不是空無一物，有很多因素會對干擾探測器形成“噪聲”，另外，探測器本身的缺陷也會形成“噪聲”，我們把這種“噪聲”稱為本底。

“悟空號”產生的有用信號是本底的50倍左右，也就是說本底所產生的干擾僅佔2%。這個水平比之前世界上最好的CALET探測器要高十倍。

“悟空號”的新發現

搭載瞭如此精密的設備，“悟空號”自然不會辜負大家的期望。2015年發射升空後，經過近兩年的探測與地面人員的數據處理，於2017年終於有了新發現。

科學家對“悟空號”傳來的數據處理後發現，“悟空號”測得的高能電子能譜在1.4TeV附近出現了一個反常的“尖峰”，這是之前所有探測器都沒有發現的精細結構。

這個現象說明能量為1.4TeV的高能電子數量異常地增多了，並且可能就是由於暗物質粒子湮滅時，產生了能量為1.4TeV的高能電子造成的。

高能電子能譜

不過，僅僅一次現象並不能說明問題，科學家們還需要排除觀測誤差、儀器故障、天文事件以及其他因素的影響，只有排除了所有誤差，並反覆多次觀測到同樣的現象，我們才能下結論。

這個發現到目前依然沒有準確的解釋，人們目前仍無法確定這個奇怪的“尖峰”到底是暗物質粒子湮滅產生的，還是其他原因造成的，這一切都有待“悟空號”進一步的觀測。

“悟空號”運行的近四年來，源源不斷地為我們傳來了無數寶貴的數據，今天，“悟空號”依舊穩定地運行著，堅守著它的使命。

看到這裡小夥伴們是不是大開眼界呢！沒想到我們的宇宙還有那麼多未解之謎。

相信未來“悟空號”的火眼金睛一定會發現更多新奇的現象，隨著我們國家的富強，也會有更多“大國重器”屹立於中華大地之上。