本期“大国科技范”栏目，我们来为大家介绍一下“悟空号”暗物质探测卫星。

说到悟空，大家首先想到的一定是西游记里神通广大的齐天大圣孙悟空，他有一双火眼金睛，能洞察世间万物。

我国自主研发的“悟空号”卫星也有“火眼金睛”，它有着能谱范围最广、信噪比最高的粒子探测器，能够清晰地观测到宇宙射线中的正反电子、γ射线以及正反质子等高能粒子。

不过，“悟空号”的任务也不简单，它被设计用来寻找宇宙中的暗物质粒子，并研究暗物质粒子的性质。

下面，就让小编为大家介绍一下神秘的暗物质与身负重任的“悟空号”吧~

神秘的暗物质

人类有一双慧眼，可以接收外界的光来感知世界的样子。后来，人们发明了各种探测器，用来帮助人们看到人眼看不到的事物。

这些探测器尽管种类多样，但多数也都是通过直接或间接地探测包括可见光在内的电磁相互作用来帮助人们认识世界的。

我们知道光的本质是电磁波，也就是电磁场的“涟漪”。

我们的宇宙中有许多的物体都能发光，即便那些不发光的物体，大部分也能反射光，或者说与电磁场发生其他复杂的相互作用。人们一度认为，我们的宇宙完全是由这些“看得见”的事物组成的。

普通物质可发光或与光发生相互作用

然而，科学家们在观测星系时发现，构成星系的恒星和其他物质本身提供的引力不足以维系星系的结构。

星系里面的各个恒星都运动得太快了，以至于按照已有的引力理论推算，它们相互间的万有引力无法再拉住彼此。

仅靠引力不足以维系星系结构

不过，这些看似要解体的星系却依然好好地待在那里，并没有像人们预言的那样分崩离析。

我们生活的银河系也是如此，太阳系绕银河系中心运动的速度太快，高达每秒240公里，按照已有的引力理论，太阳系本该早就被“甩”飞了。

于是，科学家预言，一定有什么我们还没发现的物质“潜伏”在星系的内部，甚至每时每刻都陪伴在我们身边。

之所以科学家一直没有发现它，是因为它既不发光，也不反射光，甚至完全不产生电磁相互作用，只存在引力相互作用。

由于这种物质与光“格格不入”，显得“黯淡无光”，于是，科学家就顺势给它起了“暗物质”这个名字。

经过推算，暗物质占全宇宙所有物质的25%，而我们熟悉的能和电磁场发生作用的普通物质仅占不到5%（剩下的约70%为暗能量）！

也就是说，我们目之所及的宇宙，不过是冰山一角，组成这个世界的大部分物质是我们不曾看到、不曾了解的。

于是，为了弄清楚暗物质的性质，各国都建设了各种各样的暗物质探测器，中国也没有落下，于2009年建设了锦屏地下实验室用于探测暗物质。2015年12月17日，发射了“悟空号”暗物质探测卫星。

那么暗物质到底怎么探测呢？“悟空号”里又有什么黑科技呢？

“悟空号”的火眼金睛

“悟空号”本质上是一个性能卓越的望远镜。与别的望远镜不同的是，“悟空号”接收的不是人眼能看见的可见光，而是接收并探测宇宙中的高能粒子，包括高能正负电子、γ射线（一种能量极高的光）和正反质子等。

“悟空号”发射信息（来源：墨子沙龙）

讲到这里，可能有小伙伴会问，不是说好探测暗物质吗？怎么变成探测高能粒子了？这些高能粒子虽然也很不寻常，但毕竟还是属于那5%普通物质的范畴啊！

其实，这恰恰是“悟空”的聪明之处。

暗物质虽然不是普通物质，但它依然属于物质。既然是物质就一定由无数的微观粒子构成，我们姑且称之为“暗物质粒子”。

暗物质粒子虽然不发光，也不会与电磁场发生相互作用，但作为微观粒子的它，如果与它的反粒子碰撞就会发生湮灭，而湮灭的产物恰恰是那些寻常的高能粒子。

如果我们观测到了暗物质湮灭产生的高能粒子，它无法用已有的粒子电磁相互作用模型来解释，就意味着我们可能观测到了暗物质。

并且通过研究湮灭产生的高能粒子的能量、种类和其他信息，我们甚至还能反推出暗物质粒子的一些物理性质，不仅“看到”了它，还能“了解”它。

这就好比我们交警通过车祸现场的残骸推断碰撞前的情形，我们通过探测正反暗物质粒子碰撞后的“残骸”，就能了解暗物质粒子本身的性质。

“悟空号”正是通过捕捉暗物质粒子湮灭后产生的高能粒子来发现并分析暗物质粒子的，这种探测方法被称为暗物质的间接探测。

弄清了“悟空号”的探测原理，我们再来看看它搭载的高能粒子探测器的结构吧~

“悟空号”的结构与性能

在“悟空号”之前，其他国家也曾发射过暗物质探测器，不过无论从探测精度上还是探测范围上都不如“悟空号”。

“悟空号”搭载的高能粒子探测器主要由塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器、中子探测器四部分组成，包含了7万多个子探测器。

也就是说，每一个高能粒子入射到“悟空号”的探测器时，都会产生7万多个信号。根据这7万多个信号，我们可以准确地推算出入射粒子的能量、方向、电荷，并鉴别出粒子的种类，以间接地测量暗物质粒子。

它可探测的能量范围是5GeV到10TeV，是目前世界上可探测能量范围最广的卫星，达到了世界最高水平。

在探测的精度上，“悟空号”也是全球第一！对于能量在1TeV数量级的高能粒子，它的能量分辨率是1.4%，比目前世界上所有高能粒子探测卫星的分辨率都高两倍以上，可以观测到之前的卫星看不清的细节。

我们知道宇宙中并不是空无一物，有很多因素会对干扰探测器形成“噪声”，另外，探测器本身的缺陷也会形成“噪声”，我们把这种“噪声”称为本底。

“悟空号”产生的有用信号是本底的50倍左右，也就是说本底所产生的干扰仅占2%。这个水平比之前世界上最好的CALET探测器要高十倍。

“悟空号”的新发现

搭载了如此精密的设备，“悟空号”自然不会辜负大家的期望。2015年发射升空后，经过近两年的探测与地面人员的数据处理，于2017年终于有了新发现。

科学家对“悟空号”传来的数据处理后发现，“悟空号”测得的高能电子能谱在1.4TeV附近出现了一个反常的“尖峰”，这是之前所有探测器都没有发现的精细结构。

这个现象说明能量为1.4TeV的高能电子数量异常地增多了，并且可能就是由于暗物质粒子湮灭时，产生了能量为1.4TeV的高能电子造成的。

高能电子能谱

不过，仅仅一次现象并不能说明问题，科学家们还需要排除观测误差、仪器故障、天文事件以及其他因素的影响，只有排除了所有误差，并反复多次观测到同样的现象，我们才能下结论。

这个发现到目前依然没有准确的解释，人们目前仍无法确定这个奇怪的“尖峰”到底是暗物质粒子湮灭产生的，还是其他原因造成的，这一切都有待“悟空号”进一步的观测。

“悟空号”运行的近四年来，源源不断地为我们传来了无数宝贵的数据，今天，“悟空号”依旧稳定地运行着，坚守着它的使命。

看到这里小伙伴们是不是大开眼界呢！没想到我们的宇宙还有那么多未解之谜。

相信未来“悟空号”的火眼金睛一定会发现更多新奇的现象，随着我们国家的富强，也会有更多“大国重器”屹立于中华大地之上。