中国空间科学卫星之书：寻找暗物质的“悟空号”

Preface序言

空间科学研究面向广袤的太空，揭示神秘的宇宙，从宇宙起源、物质结构，到生命起源、地球宜居性，涉及重大基础科学问题，推动航天技术跨越发展，一直是全世界关注的热点。

中国科学院作为国家战略科技力量的主力军开拓创新，于2011年部署了空间科学先导专项，正式启动了对空间科学全方位、全生命周期的研究，研究领域涵盖空间天文、太阳物理、空间物理、行星科学、空间地球科学、微重力科学、空间生命科学等学科，研究范围除了卫星工程，还包括空间科学概念研究和预先研究，以及为工程做准备的背景型号任务。

2015年至2017年，中国科学院成功发射了四颗卫星：暗物质粒子探测卫星、“实践十号”返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星和硬X 射线调制望远镜卫星。

这四颗卫星的成功发射引起了全世界的关注，标志着中国迈入空间科学研究的方阵，从过去只能用别人的数据开展研究到如今可以向全世界同行提供数据。为了扩大空间科学的影响力，中国科学院通过向公众征名，分别给三颗卫星取了生动形象的名字：暗物质粒子探测卫星叫“悟空号”，量子科学实验卫星叫“墨子号”，硬X 射线调制望远镜卫星叫“慧眼号”。“实践十号”因为是我国实践卫星大家庭的一员，所以没有再单独征名。

面对大众热爱科学、关注科学的热情，中国科学院国家空间科学中心组织编写了系列科普图书“中国空间科学卫星之书”，《寻找暗物质的“悟空号”》正是这个系列的本。它用生动形象的图画、通俗易懂的语言把卫星的探测原理、制造过程和数据接收等全过程讲述出来，还生动地描述了发射卫星所需要的火箭、测控和发射的工作原理，让大众能够走近并了解这一科学工程。

王赤

中国科学院院士，中国科学院国家空间科学中心主任

空间科学是自1957年我国首颗人造地球卫星上天后，诞生的一门综合性交叉性学科。中国科学院空间科学先导专项，聚焦具有优势和重大科学发现潜力的热点领域，通过科学卫星计划，向宇宙发问并找寻终极答案。“暗物质卫星”就是先导专项成功发射并完成工作获得科学成果的颗卫星。

对于宇宙爱好者来说，这是一本“解密”书，它到底长什么样？它是基于哪些科学构想被设计、研制出来的？它的发射和成果将为我们解决哪些问题？未来在这一领域，我们还有哪些“大动作”？

全书整合中国科学院国家空间科学中心提供的一手资料，由中国国家地理·图书科学团队策划，青年天文科普团队EasyNight编写、绘制，把卫星的探测原理和制造过程讲解得清晰易懂，不仅展示了我国在宇宙探索上的进展，更展示了我国科学家和科技工作者的成就。对于科学爱好者来说，向宇宙发问，是我们人类亘古不变的终极追求，这一次，让我们走近中国探索宇宙起源的科学卫星——“悟空号”，理解这一伟大工程，一起期待未来更多的中国空间科学卫星！

中国科学院国家空间科学中心

是我国空间科学及其卫星项目和中国科学院月球与深空探测任务的总体性研究机构，我国空间科学领域的研究中心和创新高地。暗物质粒子探测卫星 (“悟空号”) 是中国科学院空间科学先导专项的首发星，空间中心承担了工程大总体的任务，负责卫星的论证、研制、生产和发射，以及数据接收和处理的完整过程。

EasyNight

诞生于2015年1月1日，是一个用漫画讲天文的新媒体科普团队。EasyNight每天发布原创手绘漫画，预告夜空看点、传播天文知识、评述天文时事，向大众呈现天文、航天知识和星空热点，力求以通俗有趣的方式引导大众仰望星空，欣赏既简单又美丽的天文现象。

神秘的宇宙一直吸引着人们的关注，关于宇宙的探索也从未间断。暗物质粒子探测卫星作为中国探索宇宙起源的科学卫星，受到了全世界的关注。

《寻找暗物质的“悟空号”》用通俗易懂的语言、简洁清晰的插图，把卫星的探测原理和制造过程描述出来，不仅展示了我国在宇宙探索上的进展，也让大众了解了科学家和科技工作者的成就。本书帮助读者理解这一伟大工程，更为科学爱好者打开了一扇大门。 

 ——常进 中国科学院院士

暗物质粒子探测卫星工程科学家，中国科学院国家天文台台长

中国科学院院士，载人航天应用系统总设计师、“慧眼”卫星工程副总设计师顾逸东

中国科学院院士、“实践十号”返回式科学实验卫星科学家胡文瑞

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全书整合中国科学院国家空间科学中心提供的一手资料，由中国国家地理·图书科学团队策划，青年天文科普团队EasyNight编写、绘制，把卫星的探测原理和制造过程讲解得清晰易懂，不仅展示了我国在宇宙探索上的进展，更展示了我国科学家和科技工作者的成就。对于科学爱好者来说，向宇宙发问，是我们人类亘古不变的终极追求，这一次，让我们走近中国探索宇宙起源的科学卫星——“悟空号”，理解这一伟大工程，一起期待未来更多的中国空间科学卫星！

中国科学院国家空间科学中心

是我国空间科学及其卫星项目和中国科学院月球与深空探测任务的总体性研究机构，我国空间科学领域的研究中心和创新高地。暗物质粒子探测卫星 (“悟空号”) 是中国科学院空间科学先导专项的首发星，空间中心承担了工程大总体的任务，负责卫星的论证、研制、生产和发射，以及数据接收和处理的完整过程。

EasyNight

诞生于2015年1月1日，是一个用漫画讲天文的新媒体科普团队。EasyNight每天发布原创手绘漫画，预告夜空看点、传播天文知识、评述天文时事，向大众呈现天文、航天知识和星空热点，力求以通俗有趣的方式引导大众仰望星空，欣赏既简单又美丽的天文现象。

“暗”过留痕：什么是暗物质，我们如何去发现它

宇宙的25.9%

浩瀚无垠的宇宙，蕴藏着物质演化的一切奥秘。而其中不可思议的是，在宇宙诞生138 亿年后，竟然演化出了一群智慧生命，并试图去理解宇宙中物质演化的规律。

“物质是由原子构成的。”两千多年前出现的朴素原子论揭开了人类探索物质微观尽头的序幕。近代以来，人们逐渐认识到，原子也不是物质小的基本单元，还包括原子核内带正电的质子、不带电的中子，以及原子核外带负电的电子。人们还知道，光同时具有波动性和粒子性；从无线电波到五颜六色的可见光，再到高能的X 射线、γ射线，广阔的电磁波谱都是不同频率的光子。

从20世纪中叶开始，人们发现了各种各样的基本粒子。20世纪60年代，人们对物质结构的探索深入到了夸克和轻子的层次，并建立了粒子物理的标准模型理论，该理论能够出色地描述夸克和轻子相关的基本相互作用，以及它们演变所产生的各种实验现象。标准模型不仅经受住了半个多世纪的严格实验检验，甚至还能预言未知粒子的发现。2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）通过高能质子对撞实验发现了希格斯粒子，证明了半个世纪前希格斯（Peter Higgs）通过标准模型提出的预言，补上了标准模型缺失的后一块拼图。

至此，物理学微观世界的大厦似乎已经臻于完美。

等一下，先别忙着下结论！这句话有点耳熟啊，好像一百多年前就有人这么说过。那时候，经典物理学也发展到近乎完美的状态，并且引领人类的科学技术发生了翻天覆地的变化——经典力学和万有引力能够“决定”一切物体的运动，热力学体系的构建带来了蓬勃的工业革命，而电磁学理论的完善带来了电力的广泛应用和无线电通信的曙光。

1900年，著名的英国物理学家汤姆森（William Thomson，即开尔文勋爵）就宣称：“物理学的大厦已经落成，剩下的只是修饰工作。”然而他也看到，远方的地平线上浮现出两朵乌云，代表经典物理学在微观粒子尺度与宇宙尺度上碰到了无法解释的疑难。人类为了解决这两大疑难，在20世纪前半叶发展出了量子力学和相对论。二者在诞生时都显得“违背常识”，但有力地推动了理论物理学的发展，更引领人类驶入了信息时代的高速路。百年后，这些“违背常识”的理论也逐渐进入了我们的中小学教材，成为“常识”的一部分。果然，完美的背后总是隐藏着危机，而危机又成为物理学全新变革的契机。

所以到了20世纪后半叶，当物理学的大厦再一次宣告“建成”时，科学家再次把目光聚焦到远方地平线上浮现的另外两朵乌云——暗物质和暗能量。其中，暗物质便是本书的主角——暗物质粒子探测卫星“悟空号”所要搜寻的目标。

暗物质和暗能量这两朵乌云，都是来自宇宙学的观测。

初，天文学家在观测中发现了一些异常，比如对星系旋转速度、引力透镜、微波背景辐射等现象的观测结果与现有理论框架下的预测结果不一致。那么，这就带来了两种可能：要么是现有理论错了，要么是存在某种尚未被发现的物质——“暗物质”在影响观测结果。一些天文学家开始尝试对理论进行修正。后来，越来越多的观测结果表明，那些尝试性的修正理论并不具有普适性，没法同时解释从星系到宇宙各个尺度上都出现的疑问，而暗物质越来越有希望担当填补理论缺陷的重任。

这里提到的“暗物质”，不仅不发出可见光，而且完全不参与任何电磁相互作用，因而无法被电磁波手段探测到。但暗物质可以参与引力相互作用，所以早期绝大多数对暗物质的观测，都是从引力效应与电磁波观测之间的异常入手的。

20 世纪30 年代，瑞士天文学家兹威基（Fritz Zwicky）首先提出了暗物质的概念。他在研究哈勃（Edwin Hubble）对后发座星系团的观测结果时，发现了一个异常现象：根据星系团的光度和质量关系推算出来的星系团质量，与根据星系的运动速度和引力效应推算出来的质量不相符，甚至相差甚远。于是兹威基假设，星系团里存在一种丢失的质量，叫作“DunkleMaterie”（也就是德语“暗物质”的意思）。这种物质不发光，但是可以通过引力效应观察到其存在。

前面也提到过，理论预测与观测结果不符，那么其中至少有一个出了问题。会不会是引力理论有误呢？不少人尝试通过修正引力理论而不是假设暗物质的存在来解释星系旋转曲线异常，也确实得到了不错的效果——然而当新的无法解释的观测结果出现在人们面前时，修正版的引力理论面临重大挑战，而暗物质存在的证据更加坚实。其中直观的一个例子，就是“子弹星系”的发现。

如果暗物质是真实存在的，那么宇宙中究竟有多少暗物质呢？这个问题的答案无法仅仅通过对星系和星系团的观测得出。目前比较公认的一个模型，叫作“Λ- 冷暗物质”模型（简称ΛCDM）,是通过对宇宙膨胀历史的观测得到的：宇宙的总质量和能量里，只有大约4.9% 的物质是能用标准模型描述的普通物质，25.9% 是暗物质，其余的69.2% 被称为暗能量，也就是前文提到的另一朵“乌云”。不过那就是另外一个故事了。

INTRODUCTION我们为什么要去太空中研究科学 … 1

CHAPTER 1“暗”过留痕：什么是暗物质，我们如何去发现它 … 7

CHAPTER 2“悟空号”的工程系统组成 … 39

CHAPTER 3   致“知”力行：“悟空号”的科学仪器研发 … 55

CHAPTER 4 “悟空号”的卫星平台研发与在轨运行 … 91

CHAPTER 5“悟空号”的星地数据传输与处理 … 113

CHAPTER 6“悟空号”的“工作汇报”与展望 … 129

Bibliography参考文献 … 135