和“悟空”一起探星空（我的這一年）

　　“悟空”團隊在編寫分析軟件，左一為總負責人常進。

　　中科院紫金山天文台供圖

　　丙申猴年的日歷隻余下最后幾頁，丁酉雞年就在眼前。歲末年初，我們推出特別策劃“我的這一年”，聽聽不同領域的翹楚對自己工作的總結與期許，聊聊他們對所處行業的觀察與思考。這些來自個體的感悟與收獲，或許恰恰是對這個時代和社會最敏銳的捕捉。

　　——編 者

　　丙申猴年將盡，宇宙中一隻伶俐活潑的小猴子——“悟空”近來也忙得很。

　　據中科院紫金山天文台通報，暗物質粒子探測衛星“悟空”近期頻繁記錄到來自超大質量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發。這是科研團隊自衛星上天后首次發布觀測成果，引發了各方關注。

　　2015年12月17日“悟空”成功發射，在軌飛行的一年多，它的火眼金睛看到了什麼？悟空的“師父”們——科學家在后方怎樣工作？

　　每天定時體檢，對“悟空”採集的數據進行標定和重建

　　早上五六點，中科院紫金山天文台辦公樓三樓一間辦公室就亮起了燈。“悟空”每天繞地球飛行15圈，每圈4萬多公裡，一天下來“騰雲駕霧”60多萬公裡，“悟空”的身體是最讓“師父”們挂心的。

　　他們一天的工作，就從為“悟空”體檢開始。“載荷狀態監視崗”的值班人員，開始接收每天4軌的監測工程參數、科學數據，並通過這些信息，為“悟空”測一測溫度、量一量高壓。

　　紫金山天文台副台長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進，是“悟空”的總負責人，他每天第一件事就是查看“悟空”的體檢報告：“剛發射的時候我擔心會出現意外，所以安排每天兩班人馬。但是‘悟空’的表現很好，除了在6月份遇到一次因為太空復雜環境導致的問題，其他基本正常，平時隻需要一人監控值班。”

　　常進說得淡定，但其他“師父”們卻偷偷告訴記者，那次“悟空”生病，常進急得睡不著覺，還發了低燒。好在對症下藥后，“悟空”很快就痊愈了。

　　“悟空”也定期向后方的“師父”們匯報工作。每天清晨和傍晚，當它飛過中國境內，位於密雲、喀什、三亞的三個數據接收點就會接收到數據，每天約有13G。這些數據先是匯總到懷柔的地面支撐系統，之后再傳回紫金山天文台的暗物質實驗室進行分析。

　　科學應用系統總設計師伍健用“盲人摸象”來形容分析過程。“悟空”每天傳送回500萬個粒子信息，粒子包括原子、電子、中子等。原子由原子核和繞核運動的電子組成，電子與正電子會因碰撞而湮滅，在這過程中產生光子。500萬當中，電子隻有不到千分之一，而光子隻有十萬到百萬分之一。此外，“悟空”探測器共有7萬多路電子學信號通道，採集到的數據必須得標定和重建，就如同7萬多個盲人在摸象。

　　分析第一步稱為標定，就是把二進制電子信號轉換成能量，就好比為數萬個盲人千差萬別的感覺確定一個標准。第二步是數據重建，相當於將每個盲人摸到的部分拼湊到一起。這也僅是真正物理分析的基礎，接下來的關鍵是要挑選出那千分之一的電子。10多年前，常進提出的挑選方法，已成功應用在南極熱氣球實驗、暗物質衛星和日本的空間站實驗“電子量能器”的科學分析中。

　　由於成千上萬路信號匯總之后，才能還原出目標粒子是什麼種類、到達時間是否均勻、方向分布有無特殊性等信息，“師父”們要加班加點甚至通宵工作才能完成。為提高准確率，標定和重建一直在不斷改進，目前數據分析所用的軟件總共修改了5000多次。

　　365個日日夜夜，“悟空”與“師父”們就在這重復的程序中度過。

　　搜尋暗物質、研究宇宙射線等任務取得了階段性成果

　　前不久，“悟空”首次擒獲“小妖”，頻繁記錄到超大質量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發。這是怎樣發現的、又有怎樣的意義？

　　紫金山天文台暗物質與空間天文研究部研究員袁強介紹，在這裡，“師父”們分成兩組工作，一組負責衛星運行控制，另一組是進行科學分析。科學分析小組每天都將“悟空”傳回來的500萬個粒子分門別類並深入分析。去年10月份以來，光子組研究人員發現在CTA 102的方向不斷有高能光子到達，有時一天之中甚至來好幾個事例，而以往一個星期也觀測不到一個。經過持續觀察，他們認為這是來自超大質量黑洞伽馬射線爆發的情況。

　　當然，這只是“悟空”的一次牛刀小試。作為目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優和粒子鑒別能力最強的高能粒子探測衛星，“悟空”由衛星平台和4個有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器。它們共同構成一個高能粒子望遠鏡，可以高精度地測量入射粒子的信息。最高可觀測能量是國際空間站“阿爾法磁譜儀”的10倍，能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。

　　此次上天，“悟空”還肩負著研究宇宙射線起源和伽馬射線天文學的使命，目前也都已經有了階段性結果。

　　一年多來，“悟空”發回了19億個粒子數據。其中，5GeV到10TeV區間的高能電子數量已經超過100萬個。理論上，人們認為暗物質粒子湮滅或衰變可以產生高能電子，通過這些數據便可以搜尋暗物質粒子的蹤跡。高能電子還可以用於探索鄰近的電子宇宙射線源，這是因為高能電子在星系中隻能跑很短的一段距離，從而帶給我們的是太陽系附近的源的信息。

　　伽馬射線觀測方面，“悟空”還觀測到了脈沖星、恆星爆炸后形成的超新星遺跡等天體。“悟空”在一年多時間裡，已經完成兩次全天掃描，成功繪制出一張全天伽馬射線圖，這是國際上僅有的3幅GeV輻射天圖之一。

　　那麼， 高能量的宇宙射線究竟是來自於黑洞，還是來自於超新星的遺跡，抑或是某些現在還未知的天體？目前學術界有多方猜測。作為一個宇宙射線望遠鏡，“悟空”也可以用來研究宇宙射線的起源、傳播和加速等。

　　“目前，仍是積累數據階段，說其中包含著多大的成果還為時尚早。”常進坦言，但這一年“悟空”已經超額完成目標。

　　繼續全天掃描高能粒子，有望打開觀測宇宙的新窗口

　　在我們身邊，每分每秒都有無數的暗物質粒子穿越人體和其他物質，但我們卻感覺不到，它們就是“暗物質”。根據科學家研究，宇宙中約分布著68%的暗能量和27%暗物質。而我們所看得見、摸得著的普通物質僅佔5%，就如同深沉夜幕中幾顆閃光的星星。

　　暗物質和暗能量被視為現代物理學和天文學的“兩朵烏雲”，業內認為，揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大飛躍。

　　伍健介紹，目前，科學家大致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”，等著暗物質粒子撞擊留下可見粒子的蛛絲馬跡﹔到茫茫太空捕捉暗物質粒子湮滅或衰變后留下的痕跡。“悟空”採用的是第三種方法。

　　在新一年，“悟空”還將繼續遨游太空，接受來自宇宙四面八方的高能粒子。由於暗物質的蹤跡的不確定性，“悟空”將在上天后的頭兩年進行全天掃描。如果在某些方向發現有趣的結果，它將展開定向觀測。

　　“我們繼續忙並快樂著。”說起自己的新一年的小目標，常進坦言，還是按部就班地做好工作，盡早發表第一批研究成果。目前用於第一批成果所需要的分析數據，已經獲取了一大半，但是在余下部分完成前，誰也說不好將會遇到什麼。

　　“隻要‘悟空’一切運行正常，就為我們打開了觀測TeV能量以上的宇宙的新窗口，未來就有可能在暗物質間接探測、高能天體物理、宇宙射線物理等方面，帶給我們更多驚喜。”袁強說，TeV能量級別，大約是地鐵安檢中X光能量的10億倍，如此高能的電子隻在宇宙射線中存在，而以前的實驗從未准確地觀測過它們。這就是一塊未知的曠野，等待著“悟空”的火眼去發現。（記者姚雪青）