“悟空”探星空 1年多发回19亿个粒子数据

丙申猴年将尽，宇宙中一只伶俐活泼的小猴子——“悟空”近来也忙得很。

据中科院紫金山天文台通报，暗物质粒子探测卫星“悟空”近期频繁记录到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是科研团队自卫星上天后首次发布观测成果，引发了各方关注。

2015年12月17日“悟空”成功发射，在轨飞行的一年多，它的火眼金睛看到了什么？悟空的“师父”们——科学家在后方怎样工作？

每天定时体检，对“悟空”采集的数据进行标定和重建

早上五六点，中科院紫金山天文台办公楼三楼一间办公室就亮起了灯。“悟空”每天绕地球飞行15圈，每圈4万多公里，一天下来“腾云驾雾”60多万公里，“悟空”的身体是最让“师父”们挂心的。

他们一天的工作，就从为“悟空”体检开始。“载荷状态监视岗”的值班人员，开始接收每天4轨的监测工程参数、科学数据，并通过这些信息，为“悟空”测一测温度、量一量高压。

紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进，是“悟空”的总负责人，他每天第一件事就是查看“悟空”的体检报告：“刚发射的时候我担心会出现意外，所以安排每天两班人马。但是‘悟空’的表现很好，除了在6月份遇到一次因为太空复杂环境导致的问题，其他基本正常，平时只需要一人监控值班。”

常进说得淡定，但其他“师父”们却偷偷告诉记者，那次“悟空”生病，常进急得睡不着觉，还发了低烧。好在对症下药后，“悟空”很快就痊愈了。

“悟空”也定期向后方的“师父”们汇报工作。每天清晨和傍晚，当它飞过中国境内，位于密云、喀什、三亚的三个数据接收点就会接收到数据，每天约有13G。这些数据先是汇总到怀柔的地面支撑系统，之后再传回紫金山天文台的暗物质实验室进行分析。

科学应用系统总设计师伍健用“盲人摸象”来形容分析过程。“悟空”每天传送回500万个粒子信息，粒子包括原子、电子、中子等。原子由原子核和绕核运动的电子组成，电子与正电子会因碰撞而湮灭，在这过程中产生光子。500万当中，电子只有不到千分之一，而光子只有十万到百万分之一。此外，“悟空”探测器共有7万多路电子学信号通道，采集到的数据必须得标定和重建，就如同7万多个盲人在摸象。

分析第一步称为标定，就是把二进制电子信号转换成能量，就好比为数万个盲人千差万别的感觉确定一个标准。第二步是数据重建，相当于将每个盲人摸到的部分拼凑到一起。这也仅是真正物理分析的基础，接下来的关键是要挑选出那千分之一的电子。10多年前，常进提出的挑选方法，已成功应用在南极热气球实验、暗物质卫星和日本的空间站实验“电子量能器”的科学分析中。

由于成千上万路信号汇总之后，才能还原出目标粒子是什么种类、到达时间是否均匀、方向分布有无特殊性等信息，“师父”们要加班加点甚至通宵工作才能完成。为提高准确率，标定和重建一直在不断改进，目前数据分析所用的软件总共修改了5000多次。

365个日日夜夜，“悟空”与“师父”们就在这重复的程序中度过。

搜寻暗物质、研究宇宙射线等任务取得了阶段性成果

前不久，“悟空”首次擒获“小妖”，频繁记录到超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是怎样发现的、又有怎样的意义？

紫金山天文台暗物质与空间天文研究部研究员袁强介绍，在这里，“师父”们分成两组工作，一组负责卫星运行控制，另一组是进行科学分析。科学分析小组每天都将“悟空”传回来的500万个粒子分门别类并深入分析。去年10月份以来，光子组研究人员发现在CTA 102的方向不断有高能光子到达，有时一天之中甚至来好几个事例，而以往一个星期也观测不到一个。经过持续观察，他们认为这是来自超大质量黑洞伽马射线爆发的情况。

当然，这只是“悟空”的一次牛刀小试。作为目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优和粒子鉴别能力最强的高能粒子探测卫星，“悟空”由卫星平台和4个有效载荷组成，分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器。它们共同构成一个高能粒子望远镜，可以高精度地测量入射粒子的信息。最高可观测能量是国际空间站“阿尔法磁谱仪”的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

此次上天，“悟空”还肩负着研究宇宙射线起源和伽马射线天文学的使命，目前也都已经有了阶段性结果。

一年多来，“悟空”发回了19亿个粒子数据。其中，5GeV到10TeV区间的高能电子数量已经超过100万个。理论上，人们认为暗物质粒子湮灭或衰变可以产生高能电子，通过这些数据便可以搜寻暗物质粒子的踪迹。高能电子还可以用于探索邻近的电子宇宙射线源，这是因为高能电子在星系中只能跑很短的一段距离，从而带给我们的是太阳系附近的源的信息。

伽马射线观测方面，“悟空”还观测到了脉冲星、恒星爆炸后形成的超新星遗迹等天体。“悟空”在一年多时间里，已经完成两次全天扫描，成功绘制出一张全天伽马射线图，这是国际上仅有的3幅GeV辐射天图之一。

那么， 高能量的宇宙射线究竟是来自于黑洞，还是来自于超新星的遗迹，抑或是某些现在还未知的天体？目前学术界有多方猜测。作为一个宇宙射线望远镜，“悟空”也可以用来研究宇宙射线的起源、传播和加速等。

“目前，仍是积累数据阶段，说其中包含着多大的成果还为时尚早。”常进坦言，但这一年“悟空”已经超额完成目标。

继续全天扫描高能粒子，有望打开观测宇宙的新窗口

在我们身边，每分每秒都有无数的暗物质粒子穿越人体和其他物质，但我们却感觉不到，它们就是“暗物质”。根据科学家研究，宇宙中约分布着68%的暗能量和27%暗物质。而我们所看得见、摸得着的普通物质仅占5%，就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。

暗物质和暗能量被视为现代物理学和天文学的“两朵乌云”，业内认为，揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃。

伍健介绍，目前，科学家大致有三种方法探测暗物质：利用加速器将暗物质粒子“创造”出来；在地下布好“靶子”，等着暗物质粒子撞击留下可见粒子的蛛丝马迹；到茫茫太空捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹。“悟空”采用的是第三种方法。

在新一年，“悟空”还将继续遨游太空，接受来自宇宙四面八方的高能粒子。由于暗物质的踪迹的不确定性，“悟空”将在上天后的头两年进行全天扫描。如果在某些方向发现有趣的结果，它将展开定向观测。

“我们继续忙并快乐着。”说起自己的新一年的小目标，常进坦言，还是按部就班地做好工作，尽早发表第一批研究成果。目前用于第一批成果所需要的分析数据，已经获取了一大半，但是在余下部分完成前，谁也说不好将会遇到什么。

“只要‘悟空’一切运行正常，就为我们打开了观测TeV能量以上的宇宙的新窗口，未来就有可能在暗物质间接探测、高能天体物理、宇宙射线物理等方面，带给我们更多惊喜。”袁强说，TeV能量级别，大约是地铁安检中X光能量的10亿倍，如此高能的电子只在宇宙射线中存在，而以前的实验从未准确地观测过它们。这就是一块未知的旷野，等待着“悟空”的火眼去发现。（姚雪青）

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文章来源：http://edu.72177.com/2017/0124/4274054.shtml