愛因斯坦曾說過：“宇宙中最不可理解的事是宇宙是可以理解的。”在浩瀚無垠的宇宙中，目前能被人類觀測到的部分只有5%，還有95%看不見摸不著的部分是暗物質(zhì)和暗能量。

2015年12月，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星發(fā)射升空，這是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的首發(fā)星，也是中國發(fā)射的首顆天文衛(wèi)星，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制，中科院多家科研院所共同參加有效載荷、科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)等工程項目研制工作。中科院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）是“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的首席科學(xué)家單位和項目發(fā)起單位。

“我們探索暗物質(zhì)的道路才剛剛開始，還會有越來越多的好消息傳來。”這是暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺臺長、中科院院士常進(jìn)經(jīng)常掛在嘴邊的一句話。

來自中國的建議

太陽繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周所需的時間是2.3億年，要把太陽固定在這樣的圓周運(yùn)動的軌道上需要向心力，產(chǎn)生這樣的向心力需要太陽軌道內(nèi)包含大約10¹¹倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，而可以觀測到的恒星和氣體的質(zhì)量只有大約一半。

“由此可見，還有一些不可見的物質(zhì)貢獻(xiàn)了更強(qiáng)的引力，這些物質(zhì)可能是暗物質(zhì)。”常進(jìn)以太陽的運(yùn)行為例向《中國科學(xué)報》介紹道，“暗物質(zhì)是宇宙的主要組成成分之一，約占宇宙總份額的1/4，對暗物質(zhì)物理本質(zhì)的認(rèn)識將突破現(xiàn)有的物理學(xué)框架，打開新的物理世界大門。”

近年來，探測暗物質(zhì)粒子已成為一項重大科學(xué)問題，世界各國正在不遺余力地通過各種手段開展暗物質(zhì)探測研究。

早在20世紀(jì)末，紫金山天文臺的空間天文團(tuán)隊就開始從事空間間接探測暗物質(zhì)的研究。1997年，美國宇航局在南極開展了一項名為ATIC（先進(jìn)薄電離量能器）的氣球探空項目，用來觀測宇宙線。當(dāng)年，常進(jìn)從這個項目中驚訝地發(fā)現(xiàn)：“ATIC只觀測宇宙線，有點(diǎn)浪費(fèi)呢！”

于是，遠(yuǎn)在中國的常進(jìn)給ATIC項目首席發(fā)出一封建議郵件，并通過自己的反復(fù)演算和證明，最終說服對方使用自己團(tuán)隊研發(fā)的觀測高能電子和伽馬射線的新技術(shù)方法。2000年底，重達(dá)兩噸的ATIC觀測設(shè)備在南極升空，在距離地面37公里的高空，成功實(shí)現(xiàn)了對高能電子的觀測。

在常進(jìn)的建議下，ATIC項目誕生了一項最有價值的發(fā)現(xiàn)——宇宙射線正負(fù)電子在高能段超出天體物理背景模型。

2008年11月，一篇題為《3000-8000億電子伏特能量區(qū)間的宇宙射線電子“超”》的文章發(fā)表在《自然》上，報道了科研團(tuán)隊第一次發(fā)現(xiàn)宇宙高能電子異常，常進(jìn)是論文的第一作者。

隨后，常進(jìn)發(fā)現(xiàn)：“氣球?qū)嶒?yàn)觀測時間短，數(shù)據(jù)量較小，殘余大氣導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差也比較大，因此對該正負(fù)電子‘超’的本質(zhì)無法給出準(zhǔn)確的答案。”為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊想到發(fā)射空間衛(wèi)星進(jìn)一步改進(jìn)測量，以期在電子觀測以及暗物質(zhì)探測方面取得突破。

將想法變成現(xiàn)實(shí)

基于南極氣球?qū)嶒?yàn)以及前后開展的載人航天、探月等一系列項目中積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在中科院“率先行動”計劃的支持下，2011年12月空間科學(xué)先導(dǎo)專項暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星正式立項，2015年12月暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星成功發(fā)射。常進(jìn)帶領(lǐng)中科院暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星和科學(xué)研究團(tuán)隊僅用了4年時間就將想法變成現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了中國空間天文衛(wèi)星零的突破。

常進(jìn)從小喜歡物理，本科選擇了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理專業(yè)。自1992年來到紫金山天文臺后，他開始從事空間探測研究，為何要“轉(zhuǎn)行”？他的回答是：“空間探測是以近代物理的研究為理論基礎(chǔ)，只是把實(shí)驗(yàn)從地面搬到太空。”

中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員李華旺是暗物質(zhì)衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師，他在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，暗物質(zhì)衛(wèi)星絕大部分工作由國內(nèi)科研單位完成。

其中，暗物質(zhì)衛(wèi)星的探測器研制單位包括紫金山天文臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院高能物理研究所、近代物理研究所和國家空間科學(xué)中心；衛(wèi)星平臺由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制；載荷所用的BGO晶體材料由中科院上海硅酸鹽研究所研制。

在國際合作方面，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)和意大利佩魯賈大學(xué)參與了硅徑跡探測器的研制。當(dāng)前正在從事的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究工作，也由中國、瑞士和意大利等數(shù)家單位的科研人員組成的分析團(tuán)隊聯(lián)合開展。

紫金山天文臺是有效載荷總體及科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)所在單位，負(fù)責(zé)有效載荷的總體設(shè)計和研制，具體承擔(dān)了4個子探測器中的2個，BGO量能器和中子探測器的研制（BGO量能器主任設(shè)計師單位是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)），并且承擔(dān)了地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)等工作。

“悟空”發(fā)射升空后，常進(jìn)感嘆道：“所有這些工作都離不開載荷研制單位的支持和合作，大家一起保證儀器運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)刻度準(zhǔn)確，科學(xué)成果可靠。”

“延壽”平穩(wěn)運(yùn)行

2019年9月，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星第二批科學(xué)成果正式公布。“悟空”獲得TeV-100 TeV（1 TeV=1萬億電子伏特）能區(qū)精確的宇宙線質(zhì)子能譜，并發(fā)現(xiàn)新的譜結(jié)構(gòu)。這是“悟空”繼電子能譜觀測后取得的又一項重要發(fā)現(xiàn)。

“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是我國首顆專門用于科學(xué)研究的衛(wèi)星，很多工作沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以照搬，需要大家‘小心而又大膽’地摸索。”常進(jìn)解釋道，“小心”是指做任何一件工作都必須高度負(fù)責(zé)，十分謹(jǐn)慎，考慮周全；“大膽”則是在沒有先例的情況下要敢想敢做敢試。

在研究過程中，擺在科研團(tuán)隊前面的現(xiàn)實(shí)問題是，我國的空間科學(xué)研究跟國外比起來，起步晚了很多年，能夠用于空間項目的投入也相對較少，這樣的情況下如何能夠在國際競爭中取得優(yōu)勢，是非常大的挑戰(zhàn)。

常進(jìn)介紹道：“我們采用了獨(dú)辟蹊徑的設(shè)計思路，不貪大求全，在某些指標(biāo)方面做到國際領(lǐng)先。”事實(shí)表明，“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星以遠(yuǎn)低于國際上其他同類設(shè)備的價格，實(shí)現(xiàn)了能量分辨率、觀測能段覆蓋和粒子鑒別能力等幾項指標(biāo)世界最優(yōu)，為取得最好的科學(xué)成果奠定了基礎(chǔ)。

空間工程項目特點(diǎn)是投資大，風(fēng)險也大。一個衛(wèi)星送上天了也沒有辦法維修，一個小的毛病就可能導(dǎo)致這個衛(wèi)星“報銷”。常進(jìn)經(jīng)常打比方說：“一塊錢的電阻可能使幾百億的衛(wèi)星‘報銷’，所以我們的責(zé)任很大。”

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是一個團(tuán)隊的工程，最多時有300多人參與研制。“衛(wèi)星研制過程中遇到了好多問題，其中有些問題光靠年輕人是不夠的。”常進(jìn)回憶道，“我大學(xué)已退休的老師們也參與其中，無償?shù)膸椭�我們解決難題，很讓人感動。”

李華旺透露，如今“悟空”號各探測器完好如初，已經(jīng)進(jìn)入“延壽”運(yùn)行階段。

目前，常進(jìn)團(tuán)隊的主要任務(wù)是保證暗物質(zhì)粒子衛(wèi)星平穩(wěn)運(yùn)行，采集更多的數(shù)據(jù)用于科學(xué)研究，并對儀器的性能進(jìn)行進(jìn)一步的準(zhǔn)確刻度，提高測量精度，減小系統(tǒng)誤差。常進(jìn)說：“我們正在積極開展下一代暗物質(zhì)粒子探測器的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研究，期望在不遠(yuǎn)的將來，我們能在天上找到暗物質(zhì)粒子。”