悟空号：在太空中寻找暗物质踪迹

现代天文观测表明，宇宙的主要成分是暗物质和暗能量，前者约占当今宇宙的27%，后者约占68%，而发光的普通物质只占约5%，它们共同主宰着宇宙的命运。遗憾的是，目前暗物质和暗能量的主要观测证据几乎全部来自引力观测效应，在没有厘清暗物质与暗能量的本质之前，无法断言这些观测效应是目前的主流引力理论——广义相对论不完善所导致的。事实上，确实有科学家构造了新的引力理论来直接解释现有的天文观测现象，但这方面的努力尚未取得成功。相反，目前的主流观点认为，暗物质可能是由超越粒子物理标准模型的新基本粒子构成的，因此可以通过非引力探测实验来探测暗物质。

国际上暗物质的探测在20世纪下半叶已经开始受到重视，但国内该领域的研究在当时几乎处于空白状态。1998年，情况有了改变，当时中国科学院紫金山天文台的青年学者常进提出了一种新的方法，可以利用比较薄的量能器到太空中可靠地探测电子宇宙线。理论上，暗物质粒子可能通过湮灭或者衰变产生高能电子宇宙线，它们在能谱和空间分布上与普通天体源加速出的电子宇宙线有一定的区别，如果这些电子宇宙线能够被合理地证认出来，就可以测得暗物质的质量、湮灭截面等关键物理参数。因此，精确测量电子宇宙线为探测暗物质提供了一条新途径。常进在1998年取得的数据分析方法的突破，奠定了悟空号暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE）的物理设计基础。

那时的常进单枪匹马，在国内还没有什么影响力，更没有平台，因此他把目光投向了国际合作。当时美国在南极利用一个名为先进薄电离量能器（Advanced Thin Ionization Calorimeter, ATIC）的长周期气球实验项目探测核素宇宙线，由于探测器较薄，项目原来的科学目标中并不包含电子宇宙线。常进认为，该探测器完全可以探测电子宇宙线，并利用束流试验数据的分析结果说服了该实验组。2008年，ATIC项目组发表了研究论文，发现电子宇宙线能谱与宇宙线传播模型相比存在显著的超出，这种超出被认为可能是暗物质湮灭的信号。这篇论文在国际上产生了巨大反响，作为论文第一作者的常进也成为国际上电子宇宙线探测的权威专家。由于ATIC项目并不是为探测电子宇宙线设计的，而且当时我国已经在考虑发展自主的天文卫星，因此常进及时地提出了暗物质粒子探测卫星计划。该项目于2011年底正式立项，2015年卫星被正式命名为“悟空号”，并在当年底顺利发射，实现了我国天文卫星以及空间高能粒子探测零的突破。

悟空卫星在轨示意图。图片来源：紫金山天文台

作为我国首颗天文卫星，悟空号受到了社会各界的高度关注，几乎是家喻户晓。《悟空传：暗物质空间探索的中国方案》一书从悟空号团队工程技术人员和科学研究人员的实际经历出发，从多个角度讲述了一支主要由青年人组成的科研队伍在缺经验、缺人手、时间紧、任务重的窘迫环境下，如何团结协作、攻坚克难、共同成长的动人故事，充分展示了中国科学家勇于创新、不畏困难、敢于挑战、协同攻坚的科学精神。我长期从事引力理论和宇宙学的研究，也一直关注着暗物质领域的研究进展。我对悟空号团队的深入了解始于2009年，当时吴岳良院士组织国内的暗物质与暗能量研究团队成功申请到了973计划（国家重点基础研究发展计划）项目——“ 暗物质、暗能量的理论研究及实验预研项目”，常进作为课题组长领衔“暗物质的空间探测实验研究”，我负责暗能量的理论研究课题。2010-2014年的这几年，是973计划项目的执行期，也是暗物质粒子探测卫星工程的关键研发期，我目睹了暗物质粒子探测卫星项目组的蓬勃发展和所经历的种种艰辛。阅读这本书，我眼前又浮现出常进带领团队披荆斩棘、不懈奋斗的感人场景，耳畔又响起他夹杂着泰州方言却激情飞扬的学术讨论。通过上述973计划项目的合作交流，我与常进也成了好朋友。当悟空号取得第一批科学数据后，我们在国家自然科学基金委领导的支持下，一起推动了一个重点项目群的立项。

现在，悟空号已经9岁多了，但探测器性能依然良好，依然奋战在寻找暗物质粒子的征程上。暗物质的本质属性作为当代基础物理领域最具挑战性的难题之一，何时能得到彻底解决应该说难以有明确的时间表。但悟空号以我国科学家的原创方法为基础，以国际重大科学问题为导向，作为我国首颗天文卫星，就在部分关键性能指标上国际领先，为搜寻暗物质粒子打开了一个新窗口，也为我国空间科学的发展留下了浓墨重彩的印记。我真诚地祝愿悟空号未来取得更多科学成果，为早日解开暗物质之谜做出重大贡献。

2025年3月18日

本文为《悟空传：暗物质空间探索的中国方案》一书的序言，原题为《锻造“火眼金睛”，在太空中寻找暗物质踪迹》，澎湃新闻经出版方授权刊载。

《悟空传：暗物质空间探索的中国方案》，韦大明/主编 中国科学院紫金山天文台/编著，江苏凤凰科学技术出版社，2025年4月版