第664期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《科学重器（5）“悟空”号》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——科学重器（5）“悟空”号
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：黄晓渊，中国科学院紫金山天文台研究员。
马鹏雄，中国科学院紫金山天文台博士。
讲座时间：2025年5月12日～5月18日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——科学重器（5）“悟空”号
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。2015年，我们国家向太空发射了一颗卫星探测器，名字叫作“悟空”号，当时预计的使用寿命是三年，但是目前已经两次延期服务时间，这是为什么？我们通过短片来进入我们今天的节目。2015年12月17日，“悟空”号暗物质粒子探测卫星发射升空。如今，经过两次工作寿命的延长，它已经运行六年之久，却依然在太空中焕发出新的活力，给我们带来了令人惊喜的新发现。2021年5月，“悟空”号绘出了迄今最精确的高能氦原子核宇宙射线能谱，这将对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有十分重要的意义。2021年9月，“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据向全球公开，六年在轨运行期间，“悟空”号已经帮助科学家们收集到超过100亿个源于宇宙中粒子的数据，并通过这些数据三次描绘出暗物质可能产生的部分粒子的分布情况，这也标志着我国在空间高能粒子探测方面已跻身世界前列。暗物质是什么？暗物质的探测和研究与普通人有什么关系呢？我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院紫金山天文台的黄晓渊研究员，欢迎您！另外一位也是中国科学院紫金山天文台的马鹏雄博士。主持人好！
我们为什么把这个探测卫星的名字起成“悟空”，这背后的寓意是什么？它专业的名字还是叫暗物质粒子探测卫星，但是为了公众传播的需要，通过了一个网络征名，通过专家的评审，然后大家就决定把它叫作“悟空”。叫“悟空”的一个意义是因为孙悟空，我们大家都知道他有火眼金睛，可以看到各种妖魔鬼怪，然后我们也就是希望我们的这个探测器也是具有火眼金睛，能够看到一些不一样的东西。如果我们把“悟空”这两个字分开理解的话，第一个“悟”就是领悟，而“空”就是未知。那我们要研究的宇宙是有很多未知的事情，特别是我们关心的暗物质，这是非常前沿的未知的科学问题。我们这两个词分开理解的话就是领悟未知，就是最贴合的一个词汇。突然间就好像升华了这个名字。是的。那我们说说“悟空”号到底是一颗什么样的卫星呢？就像它的名字所说的，它其实是叫暗物质粒子的探测卫星，所以它的主要的目标是为了来探测暗物质，暗物质这个东西我们现在暂时还没有理解，因为按照宇宙学的观测，我们的这个宇宙中70%是暗能量，25%是暗物质，只有5%是我们日常所见到的，比如说电子这些组成我们人类和我们周围世界的东西，其实只占宇宙中的5%。但是这个暗物质粒子它的性质其实是还不知道的，我们只是通过引力观测到它的存在，所以我们就希望用暗物质粒子探测卫星，来间接地探测这个暗物质的粒子到底是什么？
暗物质怎么理解？您给我们解释一下。暗物质这个概念，它提出已经很久了，1933年就有人提出了，人们知道它存在，但是就是找不到它。为什么会知道它存在呢？比如说我们绕着银河系中心转，地球绕着太阳转，我们有个速度，我们知道太阳的质量，也知道地球的质量，那通过牛顿万有引力公式，我们就能算出太阳、地球的速度了，结果我们发现太阳绕着银河系转的速度跟银河系的质量，以及太阳的质量计算出来的速度，它允许的这个速度有点偏差，就是我们太阳有点转得过快了。但是问题是我太阳系就在绕着银河系稳定地运转。于是我们提问为什么这么快？对，所以必须有一种看不见的力量把它抓住，否则就像我们甩个绳子一样，你甩得越快，绳子断了，飞出去了，所以暗物质就是说它提供了一个强大的引力，但是我们就是看不到它是什么。现在我们要研究暗物质方式有很多，但是有一些科学家他提出暗物质它可以通过自身的衰变，或者两个暗物质相互碰撞，它产生一些我们可见的物质。我们可见的物质，正常的物质，我们人类能理解的物子，比如说正负电子，还有伽马射线。那我们要探测暗物质的话，我们就探测它的“儿子”，它的“孙子”，它到底产生了什么东西？根据简单的一个物理规律，就是能量守恒，暗物质是多少多少能量，那么产生的东西加起来就应该是多少多少能量。我们通过精确测量它产生的粒子，它质量加起来，那你就能推算出暗物质是什么？而我们暗物质粒子探测卫星，它就在这方面，特别是它对正负电子，Gamma-ray（伽马射线），它的能量分辨率达到世界最好水平，就等于说它的视力是最好的，它可以在茫茫人海中，我随便抓到一个我希望找到的人，那么它通过计算正负电子，暗物质它产生的东西，我就回算暗物质到底是什么，这是我们世界上探测器性能最好的一个装备。说到这个话题，我们来看看记者编辑的短片。
由于暗物质无法直接观测，科学家需要观察暗物质可能转化成的可见粒子。比如伽马射线、正负电子等，从而搜寻暗物质的蛛丝马迹。但宇宙中的粒子种类繁多，如何分辨这些粒子的种类、能量大小以及来源方向，是探测器的一大难题。而“悟空”号辨认这些粒子能力，在世界上首屈一指。组成它的四种核心探测器，能辨认出进入探测器的究竟是哪种粒子，具有多少能量，并识别粒子的来源、方向等各种信息。它的“火眼金睛”将中国的暗物质探测提升至国际领先水平，成为我国基础天文学研究中有力的科学重器。2015年那个时候，“悟空”号发射成功的时候，是中国天文的一个新的历史开端。对。那个时候，当时中国天文处在一个什么样的状态，这个背景是什么？给我们介绍一下。这个可能还是要从常进院士讲起，当时就提出来一个很重要的，做电子和质子分辨的一个事情，因为我们知道我们的主要探测目标是正负电子，但是在宇宙线当中，质子的数目比正负电子要多得多，然后为了把这样的背景去掉，需要做一些特殊的改正办法。他是发展了一个新的方法，在分辨电子跟质子方面，非常管用的。因为以前这是个科学难题，所有的科学家都不知道两个粒子怎么分辨，因为我们要研究电子的话，质子太多了，就是背景、噪声，那他发展一个新的方法以后，他自己经过验证，他发现这个方法很好，后来国家也支持，然后常进院士牵头提出这个项目。2011年国家立项，到2015年发射，所以这个路子走得特别急，目前我们国家空间天文现在已经在各个方向都在努力发展了。
你看在我们普通人来理解，我们地面上已经有了那么大的望远镜、探测器，大的科学装置，而且都建在海拔非常高的地方，已经很接近天际了，我们为什么还要在天上弄一颗卫星再去观察？这个最大的区别就在于在地面上，哪怕像我们四川的稻城LHAASO，它海拔4400米,但事实上它的大气可能顶多就是我们海平面的大概一半，还是有很厚的大气物质的。但如果我们把这个探测器发到我们的太空当中，500公里高度的话，其实没有空气的，那这个粒子它就不受阻挡地进探测器了。这样的话，这个粒子它是什么，它是氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖，它不管是谁，我就能测出来，我就知道你来的是谁，然后你的方向从哪里来的，你的能量多少，我都能清楚。但对LHAASO来讲，它只要进了空气，它就像一个炸弹一样炸开了，炸出很多碎片，我只能在地面布设特别多的探测器，去把这些碎片给它收集起来，所以这就是两个的区别。LHAASO它是通过测量，它最后的次级粒子，去探测粒子的，而我们暗物质卫星，它从它入射一直（到）它碎裂，我都把所有的都收集起来了。所以我们可以很准确地区分来的是什么，是氢原子、原子核，还是说氦的原子核，或者是碳、氮、氧。它们之间是有分工的吗？有一些的，就是因为LHAASO，它就是很难做到相对于低能一点的，“悟空”号所做的这个能段的。说到这个话题，我来看看记者编辑的短片。
宇宙中的粒子种类繁多，它们的能量同样有高低之分。比如太阳光中的光子能量较低，很难穿透纸板，但X射线中的粒子具有较高能量，可以穿透人体，用于医疗检测、工业CT等用途。在宇宙中有许多极高能量的粒子，从四面八方射向地球，它们可以轻易穿透一面墙壁。同样，这些高能粒子也携带着关于宇宙的种种信息，“悟空”号正是一颗能够探测这些宇宙中高能量粒子的装置。到目前为止，它都为我们带来了有关宇宙的哪些消息呢？“悟空”到底发现了哪些特别有价值的，让你们兴奋的这些信息？现在我们的成果主要是在带电粒子的观测上，在正负电子的测量上面是现在世界上具有最高精度的测量的。第二个就是对宇宙线的测量，可以这样理解，在我们的信号里面出现了“鼓包”，那这个“鼓包”它对应的背后的物理，就是说我们一直寻找的那个问题，就是这个宇宙线是从哪里来的。根据计算，这个“鼓包”它对应的一个加速源，它应该不会特别远，可能就在我们地球的在一个天文学尺度上的一个距离。我们说的天文学尺度对我们来说已经很近的距离了，但是人类要到达的话还是挺远的，等于是我们这个信号里面，它藏了一颗宇宙线的一个加速源，但至于它到底是在哪里，在天空中哪个方向，我们还需要更多的数据去找，但是从国际上整个对比来说的话，暗物质粒子探测卫星给出了最精确的测量，最可能揭示这个问题，但最终我们还没有确认说我们找到了，我们已经发现了强烈的信号，如果我们积累更多的数据的话，我们也许真的能看到方向是哪里来的。我们有望回答宇宙线它从哪里来，我们也许看到了一个临近的宇宙线的加速源。我们通过短片去了解一下。
宇宙中暗物质占全部物质总质量的25%，人类知道它的存在，却不知道它究竟是什么。于是科学家想到，可以通过探测暗物质碰撞后产生的粒子来寻找暗物质的蛛丝马迹。就如同我们可以观察动物留下的脚印，通过脚印的形状、深浅等信息来判断动物的种类特征，而暗物质的“脚印”则可能是很多高能粒子。比如质子、正负电子等，这些粒子也被统称为宇宙线。在“悟空”号服役的六年多时间里，它收集了无数宇宙线粒子的信息，将宇宙线在空间中的能量分布情况精确地描绘出来，从而探寻暗物质存在的证据。同时，“悟空”号采集到的数据也对揭示宇宙线为何有如此高的能量、黑洞研究等有很大帮助，帮助我们进一步了解宇宙起源、如何演化等终级问题。“悟空”号它探测到的这些信息，是怎么传到你们的数据中心的？我们的卫星是运行在一个500公里高度的轨道，500公里其实很近，但是它在我们地球上面，它大概96分钟一圈，所以它每天可以绕着地球转十几圈，所以它经过我们中国上空的时候，我们中国属于幅员辽阔的国家，我们最西部有新疆的喀什有个接收站。接收站就是你以前能看到老式的那种接收电视锅，那种大锅，然后在南边海南省三亚有个接收站，在北京的密云有个接收站，这个卫星它经过我们中国上空，靠近某个监测站的时候，它要把它收集到的数据传下来，然后这三个站它把每天收集到的数据汇总到北京，然后北京的单位它把这所有的数据打包，打包好之后发到我们南京紫金山天文台，因为这些数据都是计算机的数据，我们把这些数据全部生产成我们可识别的数据。比如说它是20、30这样的数字信号，这样的话我就能知道来的粒子它是什么东西，然后我们把这个数据生产好之后，就分发给我们的合作组单位，包括北京的高能物理研究所，兰州的近代物理研究所，合肥的中国科学技术大学，还有意大利的几所大学，以及瑞士的日内瓦大学，我们这样一个国际团队把所有的数据进行分析，我们最终得到科学结果，然后向全世界公布。谈到“悟空”号的话题，我们来看看我们记者编辑的短片。
自2015年年底，“悟空”号发射升空以来，一直连续保持着科学观测状态。每95分钟就会绕地球行进一周，每天都会将原始数据传送到各个接收站。在“悟空”号运行的前五年半，共采集了超100亿个高能宇宙射线，并发表了多种宇宙线测量结果，这些结果均在特定的能段观测上获得了当时世界上最高的测量精度。科学家探测到来自宇宙的各种数据，对暗物质的研究会带来什么呢？我们采集到这些数据到底有什么用？我们希望能够看到一些意料之外的东西，特别是为了来寻找暗物质，暗物质这个东西各种各样的理论假设都有，所以要探测它所需要的方法也各不相同，因为我们对新的物理已经期待很久了，所以专门物理有一个方向就是叫新物理的，新物理里边暗物质的探测是一个比较重要的课题。如果我们能够在天文上发现一些异常的，能够和暗物质有一个合理的解释的话，那可能对整个的物理的发展，都会有一个比较重要的影响。如果真的暗物质找到了，我们人类可以理解它，甚至尝试驾驭它。我大胆地假设一下，那我真的不敢想象它能带来什么样的革命。上世纪大概100年前，那时候相对论跟量子力学正发展的时候，就是爱因斯坦一批伟大的科学家，他们在发展这个学问的时候，当时也没有我这个理论马上来拿来用什么，但是100年后的今天，我们要知道我们的手机芯片很多知识、材料，都来自于量子力学的发展。我们的北斗导航之所以能给你导航精度到北京的各个胡同特别清楚，是因为它考虑了广义相对论。如果没有这个理论的发展的话，我们可能就会导航出错。首先，我们的研究是一个基础科学研究，很难直接把我们的成果演化到我们生活日常当中，暗物质的发现，现在人们预期就是下一次物理学革命的窗口。它也许100年之后，可能就像100年前的人们看我们今天一样，巨大的飞跃，所以基础科学的生产力，它的爆发力不可估量。但是总的来说，这是一个世界上现在发达国家都在投入大量的精力、人力的方向，所以我们中国现在复兴的路上，我们必须在这方面走到前面。
那说到未来，随着我们对暗物质，以及对宇宙的进一步的认知，可能会对生活有什么改变？新的知识的产生，它可以让我们懂得新的规律，比如说我们谈一下这个宇宙线，刚才谈到宇宙线一个终极问题就是它是怎么加速的。我们人类目前最强大的加速器在瑞士日内瓦，它是叫作欧洲核子中心，它大概是边长27公里的一个地下的一个环境探测器，它可以加速到7个Tey（一万亿电子伏特），那这个Tey对我们宇宙来说，像LHAASO发现的，包括我们暗物质粒子探测卫星的能量上限几百个Tey来说，它还是很低的。但是高能量的粒子对我们人类来说是非常有用的，比如说我们现在国家建立的各个大的科学装置，比如说是上海光源，东莞的中子源，这些它都可以服务于民生，比如检查一些材料，一些生物蛋白质，包括新冠病毒的解析。那么，我们今天去了解宇宙的宇宙线怎么加速，我们可能懂得新的加速的方式，人类以后也许可以把这个转化为民用，比如说我们国家，所粒子加速引入到了癌症治疗。我们的全国可能每年有很多人不幸患癌症，但现在如果有粒子加速器，它这个治疗效果，尤其是重离子加速器的话，它的治疗效果是非常好的，而且副作用很小。所以这就是一个基础学科，它从实验室进行产业化，进行民用，一直到服务民生。就是从无到有的一个探知过程。所以这是个很漫长的经历，可能一个人他一辈子职业生涯都奉献了这一件事情，最后它能造福民生。
我们未来的生活也许真的会跟我们今天的研究，有一些丝丝毫毫的关系，但也许需要大家共同努力，并不是说我们这一个专业这个方向的一群人，他可以改变什么，所有的科学到最后变成生产力的时候，它是复合型的。这个是比较实用一些的，但是从理论上来说，也是有一些特殊的用处，比如说我们大家都是最基本的问题就是人从哪儿来，或者生命从哪儿来。比如说我们的星球是怎样形成的，宇宙是怎么形成的？按现在的理论来说，要形成我们的星球，或者是形成我们的星系，必须是需要有暗物质存在，然后才能够形成的，但是暗物质到底是什么？我们又不知道，所以中间就感觉总是还是差了一些东西。如果我们能够从暗物质它的最基础的自己的性质，然后推导出它在星系形成中的作用。然后整个星系形成的恒星形成到生命的形成，这个是整个一个链条，所以如果缺了一些的话，总之还是不大好。我们既要仰望星空，也要脚踏实地。脚踏实地，可能我们要最后把这些所有的研究，转化到我们能为民造福。但是未来我们人类总要仰望星空，总要问为什么，所以这个问题是无尽的，那答案也是在不断的寻找当中的。我们采集到这些数据对我们生活有什么改变？我们来看看记者编辑的短片。
人类对宇宙的认识十分有限，我们日常所见的普通物质，只占宇宙总体的4.9%，剩下的是未知的暗物质和暗能量。“悟空”号每天采集的大量数据就是为了供科学家们发现这些未知，一旦暗物质被人们所发现，必定会带来一场物理学的革命。人类将对物质世界和宇宙的演化产生颠覆性的认识，虽然无法预测它最终会如何改变我们的生活，但在将“悟空”号送往太空的过程中，已经对许多产业起到了带动作用。比如，为了“悟空”号的需求，科学家开发出了新型晶体材料，并在其他领域广泛应用，也帮助“悟空”号能够超常服役，进行暗物质探测。发射上去之前的时候，对它的预计的寿命三年，使用期是三年。三年时间，我们暗物质卫星是2015年12月17日从酒泉发射的，它发射上去以后很快就开机了，就开始工作了。所以我们现在探测器的各方面的性能还是非常好的，我们上天之后的大概90天，三个月左右，我们组织过一次评审，它给了100分，它是满分状态，就是没有任何问题，到现在为止还是这个样子。延迟退休？对。现在比较流行的词。然后到了两年以后，就是2020年，年底，然后又给它延期了一次，我们认为它还能工作，还可以工作。这个结果是为什么？是我们之前对太空的环境想得太恶劣，还是对它的健康状况不够了解？因为航天这种事情，你可以讲你必须百分之百地准备的，但是说天上也有环境，也有气候，太阳打个“喷嚏”，喷出一团物质来，就可能对探测器造成致命的伤害。所以我们只能保证我们把这个设计寿命，让它一定要出色地工作，它如果能超出预期，那是我们的收获。所以很多事情在天上是不可控的，一个芯片一旦出了问题，整个探测器可能就坏掉了，而我们暗物质粒子探测卫星，它有7万多个提供数据的接口，所以非常复杂的一个探测器，所以它的要求很高的，一旦出问题，那牵一发而动全身。
“悟空”号目前运行状态还是那么好吗？它未来还能够运行多久？因为这是一个大的系统，虽然卫星在天上工作，但实际上地面有好几个站，那就是代表背后有很多人的工作努力的。而且我们中国以后会发展也许航天各方面，所以这个资源它是要调配的，但是我们这样一个卫星，作为中国的第一颗空间天文卫星，工作状态很好的话，我们还是希望支持它不断地收集数据的，因为对我们来讲，现在我们测到的新的结果，我们结果里面有一个东西叫作统计误差，所谓统计误差就是你的数目越多，统计误差越小，那么误差越小，你就测得越精确。如果说我们的探测器工作很好，那我们收集到的数据越多越好。我们测到的信号，测到的结果就越可靠，我们希望它工作越久越好，我们也希望得到大家的支持。现在我们在国际同行的比较下，是处在一个什么样的水平？我参加过几次相关的国际会议，目前他们非常期待我们的结果，也非常重视。因为首先航天是一个可以说是很奢侈的一个项目，以前只有西方的发达国家，包括日本，他们是垄断的，其他国家首先你没有火箭，然后你的元器件、芯片，你在天上的芯片跟你手机的芯片是不一样的，它要求不一样的，很难的。那后来我们中国突破这个技术以后，我们可以上去做科学探测，我们有了数据，因为在这个领域数据是不公开的，我只会发布我的最终结果，我不会公布我所有的数据，这样的话大家就很期待你到底发现了什么，可能你也在做这个实验，我也在做这个实验，我们探测器不一样，但我们的目标一样，我们想测测，我们想看看，你测的东西跟我们测的东西是不是吻合的，如果大家都吻合，说明我们发现了一个正确的事情。
几个房间里都在进行数学竞赛，解决的方式各不相同。对。结果出来都是大家期待的。对，所以科学上只有第一。而且“悟空”的探测精度是最好的，到目前为止，因为我们的块头比较大一些，比如说日本有一个和“悟空”号类似的项目，但是它的探测面积比较小，所以在相同的时间里，它接收到的粒子要少一些，就像刚才马博士说的，统计误差主要是由接收到的数目来决定的。因为我们的块头比较大，所以统计误差很小。未来我们还会发射类似像“悟空”号这样的探测器吗？它作为一个中国的第一颗空间科学卫星，天文卫星，我们在这方面，以前是落后于西方的。当时卫星发射以后，西方的著名的期刊《Nature（自然）》杂志，它发文说暗物质粒子探测卫星的发射，开启了中国空间科学的新时代。事实证明，后来的科学发现也是确实如此。队伍在发展当中，当时那个队伍学任何专业的都有，大家汇到一块来，大家齐心协力把这个工程做好了，可以说是零经验。大家现在有这个卫星的成功运行，包括各个兄弟单位的，各个部门之间的协调，整个工程化了以后，大家觉得这个工作不像以前那么难了，那以后如果我们有酝酿新的科学目标的话，我们这个队伍已经发展起来了，我们的经验已经积累了，我们的人才培养已经上来了，我们团队是很年轻的，平均年龄大概33岁，有30多个人，我只是其中一员，我和黄老师。那我们这些队伍如果以后有好的机会，有好的科学想法，我们再发展卫星的话，我们会事半功倍的，所以我们会少走很多弯路，我们也许把暗物质卫星，它的各方面的性能，好的特点继承下来，不好的进行改正，可以收集更多的数据，来满足我们中国科学家，乃至世界科学家对宇宙未知问题的一些好奇心。
今天非常感谢两位年轻的科学家走进我们的演播室当中，也感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频去收看我们以往的节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
