現(xiàn)代天文觀測表明，宇宙的主要成分是暗物質(zhì)和暗能量，前者約占當(dāng)今宇宙的27%，后者約占68%，而發(fā)光的普通物質(zhì)只占約5%，它們共同主宰著宇宙的命運(yùn)。遺憾的是，目前暗物質(zhì)和暗能量的主要觀測證據(jù)幾乎全部來自引力觀測效應(yīng)，在沒有厘清暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)之前，無法斷言這些觀測效應(yīng)是目前的主流引力理論——廣義相對論不完善所導(dǎo)致的。事實(shí)上，確實(shí)有科學(xué)家構(gòu)造了新的引力理論來直接解釋現(xiàn)有的天文觀測現(xiàn)象，但這方面的努力尚未取得成功。相反，目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)可能是由超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新基本粒子構(gòu)成的，因此可以通過非引力探測實(shí)驗(yàn)來探測暗物質(zhì)。

國際上暗物質(zhì)的探測在20世紀(jì)下半葉已經(jīng)開始受到重視，但國內(nèi)該領(lǐng)域的研究在當(dāng)時(shí)幾乎處于空白狀態(tài)。1998年，情況有了改變，當(dāng)時(shí)中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的青年學(xué)者常進(jìn)提出了一種新的方法，可以利用比較薄的量能器到太空中可靠地探測電子宇宙線。理論上，暗物質(zhì)粒子可能通過湮滅或者衰變產(chǎn)生高能電子宇宙線，它們在能譜和空間分布上與普通天體源加速出的電子宇宙線有一定的區(qū)別，如果這些電子宇宙線能夠被合理地證認(rèn)出來，就可以測得暗物質(zhì)的質(zhì)量、湮滅截面等關(guān)鍵物理參數(shù)。因此，精確測量電子宇宙線為探測暗物質(zhì)提供了一條新途徑。常進(jìn)在1998年取得的數(shù)據(jù)分析方法的突破，奠定了悟空號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（Dark Matter Particle Explorer，DAMPE）的物理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

那時(shí)的常進(jìn)單槍匹馬，在國內(nèi)還沒有什么影響力，更沒有平臺(tái)，因此他把目光投向了國際合作。當(dāng)時(shí)美國在南極利用一個(gè)名為先進(jìn)薄電離量能器（Advanced Thin Ionization Calorimeter, ATIC）的長周期氣球?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目探測核素宇宙線，由于探測器較薄，項(xiàng)目原來的科學(xué)目標(biāo)中并不包含電子宇宙線。常進(jìn)認(rèn)為，該探測器完全可以探測電子宇宙線，并利用束流試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果說服了該實(shí)驗(yàn)組。2008年，ATIC項(xiàng)目組發(fā)表了研究論文，發(fā)現(xiàn)電子宇宙線能譜與宇宙線傳播模型相比存在顯著的超出，這種超出被認(rèn)為可能是暗物質(zhì)湮滅的信號。這篇論文在國際上產(chǎn)生了巨大反響，作為論文第一作者的常進(jìn)也成為國際上電子宇宙線探測的權(quán)威專家。由于ATIC項(xiàng)目并不是為探測電子宇宙線設(shè)計(jì)的，而且當(dāng)時(shí)我國已經(jīng)在考慮發(fā)展自主的天文衛(wèi)星，因此常進(jìn)及時(shí)地提出了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星計(jì)劃。該項(xiàng)目于2011年底正式立項(xiàng)，2015年衛(wèi)星被正式命名為“悟空號”，并在當(dāng)年底順利發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了我國天文衛(wèi)星以及空間高能粒子探測零的突破。

悟空衛(wèi)星在軌示意圖。圖片來源：紫金山天文臺(tái)

作為我國首顆天文衛(wèi)星，悟空號受到了社會(huì)各界的高度關(guān)注，幾乎是家喻戶曉。《悟空傳：暗物質(zhì)空間探索的中國方案》一書從悟空號團(tuán)隊(duì)工程技術(shù)人員和科學(xué)研究人員的實(shí)際經(jīng)歷出發(fā)，從多個(gè)角度講述了一支主要由青年人組成的科研隊(duì)伍在缺經(jīng)驗(yàn)、缺人手、時(shí)間緊、任務(wù)重的窘迫環(huán)境下，如何團(tuán)結(jié)協(xié)作、攻堅(jiān)克難、共同成長的動(dòng)人故事，充分展示了中國科學(xué)家勇于創(chuàng)新、不畏困難、敢于挑戰(zhàn)、協(xié)同攻堅(jiān)的科學(xué)精神。我長期從事引力理論和宇宙學(xué)的研究，也一直關(guān)注著暗物質(zhì)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。我對悟空號團(tuán)隊(duì)的深入了解始于2009年，當(dāng)時(shí)吳岳良院士組織國內(nèi)的暗物質(zhì)與暗能量研究團(tuán)隊(duì)成功申請到了973計(jì)劃（國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃）項(xiàng)目——“ 暗物質(zhì)、暗能量的理論研究及實(shí)驗(yàn)預(yù)研項(xiàng)目”，常進(jìn)作為課題組長領(lǐng)銜“暗物質(zhì)的空間探測實(shí)驗(yàn)研究”，我負(fù)責(zé)暗能量的理論研究課題。2010-2014年的這幾年，是973計(jì)劃項(xiàng)目的執(zhí)行期，也是暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程的關(guān)鍵研發(fā)期，我目睹了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星項(xiàng)目組的蓬勃發(fā)展和所經(jīng)歷的種種艱辛。閱讀這本書，我眼前又浮現(xiàn)出常進(jìn)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)披荊斬棘、不懈奮斗的感人場景，耳畔又響起他夾雜著泰州方言卻激情飛揚(yáng)的學(xué)術(shù)討論。通過上述973計(jì)劃項(xiàng)目的合作交流，我與常進(jìn)也成了好朋友。當(dāng)悟空號取得第一批科學(xué)數(shù)據(jù)后，我們在國家自然科學(xué)基金委領(lǐng)導(dǎo)的支持下，一起推動(dòng)了一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目群的立項(xiàng)。

現(xiàn)在，悟空號已經(jīng)9歲多了，但探測器性能依然良好，依然奮戰(zhàn)在尋找暗物質(zhì)粒子的征程上。暗物質(zhì)的本質(zhì)屬性作為當(dāng)代基礎(chǔ)物理領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的難題之一，何時(shí)能得到徹底解決應(yīng)該說難以有明確的時(shí)間表。但悟空號以我國科學(xué)家的原創(chuàng)方法為基礎(chǔ)，以國際重大科學(xué)問題為導(dǎo)向，作為我國首顆天文衛(wèi)星，就在部分關(guān)鍵性能指標(biāo)上國際領(lǐng)先，為搜尋暗物質(zhì)粒子打開了一個(gè)新窗口，也為我國空間科學(xué)的發(fā)展留下了濃墨重彩的印記。我真誠地祝愿悟空號未來取得更多科學(xué)成果，為早日解開暗物質(zhì)之謎做出重大貢獻(xiàn)。

2025年3月18日

本文為《悟空傳：暗物質(zhì)空間探索的中國方案》一書的序言，原題為《鍛造“火眼金睛”，在太空中尋找暗物質(zhì)蹤跡》，澎湃新聞經(jīng)出版方授權(quán)刊載。

《悟空傳：暗物質(zhì)空間探索的中國方案》，韋大明/主編 中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)/編著，江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2025年4月版

來源：蔡榮根（中國科學(xué)院院士、寧波大學(xué)校長）