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仰望星空的奮鬥者

中國科學院紫金山天文台“悟空”號衛星載荷與科學團隊部分成員在工作中。

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在我們身邊,每時每刻都有無數暗物質粒子穿越人體和其他物質,看不見摸不著。宇宙中約分布著27%的暗物質和68%的暗能量,人類所感知的浩瀚星海,隻佔剩下5%。隱藏宇宙是什麽模樣?

一群仰望星空的年輕人,探尋來自暗物質的蛛絲馬跡

距離地球500公里的軌道上,我國第一顆天文衛星“悟空”號以日行65萬公里的速度,“捕捉”著四面八方的宇宙射線。在中科院紫金山天文台,有一群仰望星空的年輕人,日夜兼程“破譯”蘊藏在宇宙射線中的密碼,探尋來自暗物質的蛛絲馬跡。

“科學家主要有三種方法探測暗物質:利用加速器,將暗物質粒子‘創造’出來;在地下布好‘靶子’,等暗物質粒子撞擊留下可見粒子的影子;到茫茫太空中,‘捕捉’暗物質粒子湮滅或衰變後的痕跡。”“90後”特別研究助理嶽川介紹,“悟空”採用的是第三種方法。

2015年12月16日晚上8點,酒泉衛星發射中心,距衛星發射還有12小時,火箭燃料已加注完畢。當年33歲的副研究員胡一鳴登上發射塔架,開始最後幾小時的星箭維護。“心裡特別緊張,又特別激動!”他這樣形容當時的心情。

本打算到現場觀看發射的載荷工程師陳燈意,臨時接到指令,進行發射前的載荷監控。在衛星內部,4個載荷從上到下組裝在1立方米的空間中,如同一個4層的銀色蛋糕。眼前的監測螢幕上,數據平穩閃動著。

“載荷正常!”“衛星正常!”“3、2、1,發射!”

13分鐘過去,衛星張開“翅膀”,開始接收太陽異塵餘生——發射成功了!看不到發射現場的盛況,聽不到指揮大廳的掌聲,但他知道許多人都在等待這一刻,眼淚禁不住地往下流。

要想看得更清楚,必須到太空去探測

宇宙高能粒子穿透性強,被探測器的載荷“打碎”成大量次級低能粒子,才能被“攔截”下來觀測。載荷“蛋糕”第三層的BGO量能器,有308根60厘米長、2.5厘米寬和高的晶體,可將粒子轉換成熒光光子進行測量——這是“悟空”的一項看家本領。

“套筒要製得筆直,光電倍增器要裝得精確,兩根頭髮絲的誤差就可能導致失敗。”陳燈意透露團隊的秘訣:首先要大膽創新,他們首次嘗試用碳纖維材料減重,讓載荷比高達1∶9;又得細心縝密,晶體脆弱易碎,只能一次集成,沒有糾錯的機會;還得考驗毅力,小組從早上9點工作到凌晨兩點,一乾就是一個月。

對胡一鳴來說,除了發射成功,另一個幸福時刻出現在2014年。歐洲核子中心宣布,第一次將中國衛星束流試驗項目納入認證名錄。

紫金山天文台研究員、暗物質衛星首席科學家常進院士,早在2008年就曾參與南極氣球項目,研究空間探測高能宇宙射線粒子。但氣球飛得再高也還在大氣層裡,高能粒子與大氣碰撞就會產生大量“噪音”。要想看得更清楚,必須到太空去探測。

2011年,暗物質粒子探測衛星正式立項。胡一鳴在常進的帶領下,參與了4次束流試驗。這是“悟空”上天前的大考。團隊將等比例縮小的原理樣機運往歐洲,在極其有限的時間窗口內,通過爭分奪秒的數據測算,考察探測器的可靠性與靈敏度。

“那個中秋節期間,我們72小時不眠不休堅守試驗現場,完成了一系列高能粒子束流標定,顯示探測器技術指標達到國際先進水準。”胡一鳴回憶,標定成功後,大家累得倒頭睡了兩天兩夜。

堅守初心、奮鬥進取,年輕的他們使命在肩

“悟空”上天后,每天傳送回500萬個粒子信息。其中,暗物質的“候選者”電子不到千分之一。而且,“悟空”有7萬多路電子學信號通道,這個“沙裡淘金”的過程,如同“7萬多個盲人在摸象”。

嶽川介紹,如此龐雜的“翻譯”過程,靠人海戰術遠遠不夠,需要開發軟體來實現自動化、批量化完成——首先把二進製信號轉換成可讀信息,將每個“盲人”的感覺統一標準,然後將大家摸到的部分拚湊到一起,構建出粒子的模樣,最後挑選出僅佔千分之一的高能電子。

為了提高準確率,分析軟體已修改了約8900次。“團隊成員來自天文、物理、工程等不同領域,‘翻譯’成什麽形式、如何表述、怎樣存取,每次都要激烈討論。”副研究員李翔說,一次次交流碰撞中,方案優化完善逐漸形成。

日複一日的“解碼”,讓團隊有了新發現——電子宇宙線在1.4兆電子伏特的超高能譜段突然出現劇烈波動,呈現一個疑似尖峰。“如果該結構最終被證實,則表明此處有一個全新的物理現象。”李翔解釋,雖然還無法斷定這就是暗物質蹤跡,但可能是離暗物質最近的重要跡象。

借助“悟空”的火眼金睛,團隊還繪製出伽馬射線天圖,搜尋可能深藏的暗物質蹤影。“盯牢‘悟空’的同時,我們也在準備著下一代暗物質粒子探測衛星的研製。”胡一鳴說。

今年,平均年齡不足35周歲的“悟空”號衛星載荷與科學團隊榮獲“中國青年五四獎章集體”。堅守初心、奮鬥進取,年輕的他們使命在肩。

暗物質和暗能量未來能給人類帶來什麽,是現在所無法想象的。撥開“27%”的面紗、探索隱藏宇宙的奧秘,這支青春的隊伍步履不停、勇往直前。

《 人民日報 》( 2021年05月06日 06 版)

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