上天快一年,“悟空”都干了些什么

2016年11月11日   文章来源:新华每日电讯   

  

  科学界普遍认为,在我们这个世界上,电脑、手机、人体、地球、太阳、银河系等一切所谓“看得见”的东西,仅占宇宙质量的约5%,另外的95%就是看不见的暗物质和暗能量。它们究竟是什么?无人能确切说清楚。

  2015年12月17日,我国暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射,用它的“火眼金睛”去寻找暗物质粒子存在的证据,成为最接近揭开宇宙命运谜题钥匙的“生物”。

  猴子你怎么样了?上了天比在地上更“精神”

  上天近一年,“悟空”都干了些啥?对应任务表,“悟空”完成得咋样?寻找“宇宙幽灵”,悟空还有哪些重任?记者带着这些疑问,走进位于中科院紫金山天文台的暗物质与空间天文重点实验室。

  “良好表现超乎想象。天性奔放的它,上了天比在地面上更精神。”中科院暗物质与空间天文重点实验室的科学家们总结道。在发射升空一周后,正式开工的“悟空”就给了他们巨大的惊喜,给力的“悟空”在刚开始工作的几分钟内,就向他们发出了需要的各种事例(包含各种粒子信息的数据)。随着时间推移,“悟空”的表现越来越好,等到三个月的在轨测试结束后,所有参与评审的专家给它的表现打了100分。“这在卫星测试中是非常少见的。我们准备的几百种‘应急方案’都没用得上。”研究员伍健说。

  出身名门的“悟空”是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暗物质粒子探测卫星。它由卫星平台和四个有效载荷组成,有效载荷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,共同构成一个高能粒子探测器望远镜。4个探测器由上到下摞在一起,就像一个四层“大蛋糕”,它们各司其职,又联合执行任务,可以高精度地测量入射粒子的方向、能量和电荷。

  尽管运转良好,但为确保“悟空”健康,科研人员每天都给猴子体检。科研人员每天在我国境内对“悟空”进行4到5次监测,监测点有密云、喀什、三亚、南宁、佳木斯、厦门等。通过分析监测到的工程参数来看它是否正常运行。

  如今,“悟空”每天绕着地球转15圈,每圈4万多公里,一天下来要跑60多万公里。“悟空”每天也得汇报工作。它在路过三亚、喀什、密云等地面数据接收站后,便会将观测的数据传回。这些数据统先是汇总到怀柔的地面支撑系统,经过简单处理后,传到紫金山天文台的科学应用系统。对于科研人员来说,这些被称为1B的数据便是最好的“食材”。

  7万个“盲人”摸出一颗粒子信息

  早上五六点钟,开始看遥测参数是否正常;八点到办公室,看前一天的暗物质卫星的观测科学数据是否正常;接下来开始标定和重建数据;晚上十点半才能结束一天的工作回家……暗物质卫星监控员的一天就这样度过。

  “监控由22个人完成,每天一个人轮班,这是最基本的监控工作。”伍健介绍,完成标定和重建的1B数据成了被称为“2A”的高级数据。这些数据就会分发到由上百个科学家组成的“DAMPE合作组”进行数据分析。其中,既有来自紫金山天文台、中国科技大学、兰州近代物理研究所、北京高能物理研究所的中国科学家,还有日内瓦大学,意大利佩鲁贾大学和巴里大学等国外合作者。

  何为数据的标定和重建?科研人员李翔用“盲人摸象”来解释。悟空探测器共有7万多个通道,采集到的数据必须经过标定和重建的过程。用通俗的说法,这是一个“7万个盲人在摸象”的过程。第一步标定,好比为每个盲人的千差万别的感觉确定一个标准,什么是宽、窄、粗、细等等;第二步是重建,相当于将每个盲人摸到的部分,拼凑到一起看看究竟是大象还是狗熊,即得出一个有用粒子的物理信息。

  几句话说完的标定和重建,事实上是相当复杂的过程。通常,要处理完前一天的数据需要10多个小时,值班的人每天工作到晚上10点后是非常正常的。

  伍健介绍,标定和重建,其实也是个清理垃圾的过程。“悟空”每天传送回来500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,光子的数量则还要少很多。因此,要想研究电子和光子的分布,必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的信息。为了得到更加准确的电子、光子的信息,科研人员还要不断修正数据标定和重建的模板。在过去十个月的时间里,编程已经修改了4600余次,每一次大的修改,都要将所有的数据通过后台的“小超算”,重新“跑”一遍,现在10个月的数据处理一次需要4天的时间,工作量相当大。

  支撑暗物质卫星发射和工作共有六个系统,分别是运载火箭、发射场、测控、卫星、地面支撑和科学应用系统。紫金山天文台的科学应用系统好比是“中央厨房”,暗物质卫星“悟空”不断输送过来的数据“食材”,将被加工成可供研究人员应用的高级物理信息。

  虽然只工作了不到一年,“悟空”已经给科研人员带来了大量的粒子数据。按照每天约500万个粒子,10个月下来就有15亿,平均每个中国人都能“分配”到一个粒子数据。

  11月10日,国家重点研发计划“基于暗物质粒子探测卫星的科学研究”项目启动会在南京举行,景益鹏院士、赵政国院士等十几位专家到场,共同为“悟空”的下一步“支招”。

  景益鹏说:“目前看来卫星所获得的数据都是非常扎实的,未来对于暗物质存在的确认或否认都非常有意义。”中国科技大学教授王砚方则提醒:“美国的引力波项目投入了很多年、很多资金,获得了巨大的成功。我们中国人也要看到科学家做科研的苦心和困难,性子不要太急,更多要思考如何把事情做扎实,一旦成功就是巨大的贡献。”

  “完美”,这是科研人员对“悟空”上天至今表现的综合评价。目前“悟空”运行状态非常好,传送回来的数据也远远超出科研人员的预期。随着数据的不断累积,希望在不久的将来能够获得突破性成果,为空间科学的发展贡献“中国力量”。

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