昨天上午8点12分，长征二号丁运载火箭携带我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”奔向高约500公里的晨昏太阳同步轨道。在“悟空”的三大创新点中，有两大创新点出自上海。其一是卫星结构采用了全新设计，有效载荷比高达3.2∶1，居国内领先；其二是重量占卫星有效载荷一半的BGO量能器。
“量体裁衣”
创新卫星设计
整星重量1850公斤，载荷重量竟占了1400公斤！留给卫星所有姿态控制、热量控制等系统的重量只有450公斤，这怎么可能？但中科院上海微小卫星工程中心却把这种“不可能”变成了“可能”。
在设计暗物质卫星时，该中心提出了“以载荷为中心，一体化设计”的全新理念。中心主任相里斌说，就是根据卫星载荷来“量体裁衣”。在新的理念下，卫星就好像为载荷穿上一件衣服——先看载荷的“身材”，再根据其需求，将卫星的各种系统“分散”在载荷周围，最终包覆成一个立方体的形状。
“而且，我们可以根据不同仪器设备的需求，设计出个性化的卫星‘外衣’。”暗物质粒子探测卫星科学有效载荷主管设计师董磊介绍，比如暗物质卫星中很多设备的热容不同，有的特别怕热，有的又特别能产生热量，所以更要求整颗卫星温度均衡，“我们在设计时，就会特别考虑，使设计更符合载荷需求。”
让卫星的设计为载荷服务，而不是让载荷去迁就卫星，是国际卫星发展的一种趋势。相里斌说，这将使卫星和运载的成本大幅降低。
“独门绝技”
获取BGO“巨无霸”
在采访暗物质卫星时，每次提到创新点，卫星中超大尺寸的锗酸铋晶体BGO，是一个必被提及的亮点。它的诞生地，就在中科院上海硅酸盐研究所。
由中国科大负责研制的BGO量能器，主要用于探测入射粒子的能量。如果把BGO量能器比作暗物质卫星的眼睛，那BGO晶体就是视网膜。在整个设备中，共有308根2.5厘米见方、长达60厘米的BGO晶体，分14层，每层22根，重达824公斤。
60厘米长的BGO晶体，目前全世界只有上硅所一家能做。在中科院上海硅酸盐研究所开展60厘米长晶体制备研究前，国际上仅能提供40厘米的毛坯晶体，更长尺寸的晶体生长存在难以逾越的技术瓶颈。该所陈俊锋博士介绍，科研人员采用独特的晶体生长设备和工艺，解决了原料预处理、晶体生长、晶体加工及晶体性能测试等一系列关键技术问题，历时2年先后实现了60厘米长晶体的成功制备和量产。
“由于晶体尺寸变大，使BGO两端读出电子学线路大大减少，使得量能器系统的可靠性得到成倍的提高，并降低量能器的能耗。”陈俊锋说，日本CALET探测谱仪所用的是32厘米长的钨酸铅晶体，与之相比，“悟空”的探测效率是它的近4倍。
暗物质和暗能量，被科学界称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。上海交通大学鸿文讲席教授、粒子与核物理研究所所长季向东介绍，天文学家发现，他们观测到的一些宇宙大尺度现象，与广义相对论、牛顿力学的理论预测并不相符。
暗物质
物理学家因此推测，这些星系里存在人类还无法观测到的物质。它们的质量非常大，使星系外侧的恒星高速运转，并有足够大的引力“拉”住这些高速运转的星球。这些“暗物质”与人类已知的物质一样具有质量，却不与其发生电磁作用和强相互作用，因此人类几乎无法观测到。暗物质的密度很小，但数量庞大，因此总质量大得惊人。据推测，银河系中暗物质的质量比普通物质多20倍以上；在整个宇宙，普通物质只占5%左右，暗物质占27%左右，另外68%左右的质能则来自“暗能量”——一种充溢空间、增加宇宙膨胀速度的能量。
目前，寻找暗物质的方案有三种。
一是利用大型强子对撞机，模拟宇宙大爆炸之初的“开天辟地”场景，寻找暗物质的蛛丝马迹；
二是深入地下空间，在屏蔽宇宙射线影响的条件下，探测暗物质粒子与普通物质粒子碰撞时发出的微弱信号；
三是空间间接探测，由于宇宙中的暗物质粒子会湮灭或衰变，该过程发出的宇宙射线可能被太空中的探测器发现。
“悟空”采用的是第三种方案。
作者：许琦敏、俞陶然、徐睿哲
综合来源：文汇报、解放日报
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