暗物质卫星：照亮中国空间科学

■本报记者 丁佳

5月29日，上海，一群“白大褂”围在一起，为一个刚刚诞生的“宝宝”称重。

这温馨的一刻发生在中科院上海微小卫星工程中心的卫星总装测试厂房里。这一天，中国科学卫星系列的首发星——暗物质粒子探测卫星研制取得重要进展，由四层粒子探测器组成的科学探测有效载荷联试成功，顺利交付卫星总体，预计今年年底在酒泉卫星发射中心升空。

这也是第一颗由中科院承担全部研制、生产工作的卫星，对为之拼搏了数年的科学家来说，它就像自己的孩子一样。

“谢耳朵”都转行研究暗物质了

暗物质究竟有多火？中科院空间科学先导专项暗物质粒子探测卫星项目科学应用系统总设计师、中科院紫金山天文台研究员伍健开玩笑说，现在就连热门美剧《生活大爆炸》里的主角“谢耳朵”都转行研究暗物质了。

在科学家眼中，暗物质和暗能量是笼罩在21世纪物理学上空的两朵“乌云”。暗物质已被证实存在，但至今却没有通过电磁波直接观测到，长久以来，它都是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。诺贝尔物理学奖得主杨振宁认为，暗物质、暗能量是非常稀奇的事物，它们可能引发基本物理学的革命性发展。

不管是借助欧洲核子中心的大型强子对撞机，还是安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪，亦或是美国宇航局的费米太空望远镜，全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质和暗能量以及“两暗”背后所隐藏的巨大科学宝藏。

“可到目前为止，人们找到的还都只是一些疑似证据。”暗物质粒子探测卫星项目首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进告诉《中国科学报》记者，“人类还不知道其质量、性质，也不能用物理学标准模型去解释。”

在常进看来，宇宙空间是人类最好的实验室，他决计要跟与自己有着同样梦想的中国科学同仁一道，走上探索暗物质的道路。

给宇宙送一个四层“大蛋糕”

暗物质粒子探测卫星是中科院空间科学先导专项中首批确定的五颗科学实验卫星之一，是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，超过国际上所有同类探测器。工程于2011年立项论证，由中科院国家空间科学中心负责工程总体工作，联合中科院上海微小卫星中心、紫金山天文台、高能物理研究所、近代物理研究所、中国科学技术大学等院内外科研单位共同研制，旨在通过高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和伽马射线寻找和研究暗物质粒子，同时在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展。

“卫星有效载荷质量1.4吨，整星质量1.9吨，载荷平台比达到2.8，远远高于一般的卫星。”常进坦言，这是国内第一次做这么重的载荷，难度还是很大的。

卫星上的暗物质粒子探测器属于大型空间高能设备，由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器等四个子载荷组成，四个探测器由上到下摞在一起，就像一个四层“大蛋糕”，联合执行探测任务。

“大蛋糕”上“裱花”和“内馅”的复杂程度令人咋舌。整个探测器有42000路电子学读出电路，168路高压电源，接近8万路探测器通道数。如此复杂的探测器，超过我国地面最复杂的加速器实验北京谱仪，探测器能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。

而所有的这一切，都要安装在1立方米的狭小空间里，并且各个探测器除了要完成各自的任务外，还要相互补充，互为备份。

“打上天的东西，坏了不能换，必须要做到万无一失。”为了这颗卫星，伍健的小组从2012年起，基本就没有休过周末了。

一棵藤上五朵花

此次交付的科学载荷，曾分别于2014年11月和2015年3月，两次在欧洲核子中心完成了光子/电子和重离子束流定标实验，载荷技术指标均达到国际先进水平。

这是中国科学卫星系列获得国际认可的开始。中科院空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季告诉《中国科学报》记者：“科学卫星不像系列型号卫星，它的重复性低，每一颗都不同，因此对空间技术具有很大的带动作用。”

这也就是欧美发达国家重视科学卫星发展的重要原因。即使是在美苏“冷战”时期，两国所发射的卫星中也有10%为科学卫星。

“从宇宙起源到粒子物理，空间科学同时占据着宏观和微观两个前沿，中国要从航天大国发展成为航天强国，没有空间科学卫星将无从谈起。”吴季说，“中科院承担着率先实现科学技术跨越发展的重任，应带头实现这一目标。”

于2013年启动的中科院空间科学先导专项，目前已启动了五颗科学实验卫星的研制工作，除暗物质粒子探测卫星外，量子科学实验卫星、实践十号返回式科学实验卫星、硬X射线调制望远镜卫星都已进入正样阶段，也将于近期陆续发射。

假以时日，人们或许可以开始期待，未来太空中闪耀的“五朵金花”，将第一次在真正意义上照亮中国的空间科学。