觀測能段范圍最寬 能量分辨率最優中國首顆天文衛星——“悟空”暗物質粒子探測衛星升空

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觀測能段范圍最寬 能量分辨率最優中國首顆天文衛星——“悟空”暗物質粒子探測衛星升空

China Launches First Dark Matter Particle Explorer Satellite Nicknamed“Wukong”

2015年12月17日，我國在酒泉衛星發射中心用長征－2D運載火箭發射自行研制的首顆天文衛星——“悟空”暗物質粒子探測衛星[原名“暗物質粒子探測”（DAMPE）衛星]，從而拉開了我國空間天文學發展的序幕。

在人類的太空探索中，天文衛星的問世使天文學產生了第三次飛躍，因為它改變了以往坐地觀天的傳統，擺脫了氣層的封鎖，可以在全波段范圍內對宇宙空間進行詳細的觀測。自從1960年世界第一顆天文衛星上天以來，可見光天文衛星、X射線天文衛星、γ射線天文衛星、紅外天文衛星和紫外天文衛星等各類天文衛星層出不窮，其觀測成果極大地促進了天文學的發展。為此，美國、歐洲航天局、日本、俄羅斯等國家和組織正在不斷研制和發射多種新型天文衛星，并獲得巨大科研成果。印度也于2015年9月28日發射了其首顆天文衛星——“天文學衛星”（AstroSat）。經過多年努力，我國于2011年啟動了“空間科學先導專項”，將陸續發射多顆各類天文衛星，從而逐漸改變我國只是天文知識的使用國，而非產出國的局面，以獲得重大原創性天文學成果，并使得我國有能力為人類的太空探索、技術進步及社會發展做出持續性的貢獻。

1 探測暗物質的三種方法

暗物質被比作“籠罩在21世紀物理學天空中的烏云”，它由萬有引力定律證實存在，卻從未被直接觀測到。暗物質是一種比電子和光子還要小的物質，不帶電荷，不與電子發生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分。科學家估算，宇宙中包含5%的普通物質，它們組成了包括地球在內的星系、恒星、行星等發光和反光物質，其余95%是看不見的暗物質和暗能量。暗物質無法被直接觀測到，本身不和已知的任何明物質發生關系，唯一發生關系的就是引力的變化，能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。

暗物質是由萬有引力效應明確證實其存在，但卻無法通過電磁波被直接觀測到的物質，這是長久以來粒子物理和宇宙學的核心問題之一。揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大科學突破，從而推動解釋宇宙為什么會是這樣以及未來將怎樣演化。其研究成果很可能導致粒子物理標準模型和大爆炸宇宙論的完善、更新甚至揚棄，預示著人類對物質世界認識的新的革命，直接推進人類對宇宙演化，對物質基本結構和基本相互作用的理解，也將是人類對自然界認識革命性的飛躍。所以，不少國家都在開展這一方向的研究。

探測宇宙線分為地面探測和空間探測，兩者各有千秋。后者的優點是能測量低能宇宙線，并且能區分宇宙線的種類，不足之處是受技術難度和費用的限制，目前難以測量高能區的宇宙線，而前者反之，所以它們之間可以取長補短。

鏈接：我國已在四川雅礱江錦屏山的隧道內建造了錦屏極深地下暗物質實驗室。其上方有厚達2400m的巖石層，可以將穿透力極強的宇宙射線隔絕到只有地面的大約億分之一，為探測暗物質提供了一個幾乎沒有干擾的環境。實驗室使用的是我國自主設計的高純鍺探測器，測量暗物質粒子與鍺晶體碰撞時產生的熱。加拿大、美國、意大利、日本等國也建有尋找暗物質的地下實驗室。

“悟空”暗物質粒子探測衛星在軌示意圖

現在，通常用三種探測方法了解暗物質的本質：地下直接探測、地面加速器實驗探測和太空間接探測。其中，地下直接探測是在地下（為了防干擾）布下“靶子”，等著暗物質粒子撞擊留下蛛絲馬跡,這種守株待兔的方法使暗物質存在的參數空間受到一定的限制；地面加速器實驗探測是在加速器的“粒子工廠”里將暗物質粒子“創造”出來，這種主動創造的方法目前沒有明確地給出暗物質搜尋的結果；太空間接探測是到太空捕捉暗物質粒子湮滅或衰變后留下的證據，此法看到了一些暗物質粒子存在的跡象，但仍需要進一步的數據積累以及更高能量的精確測量，以確定這些信號究竟是來自于暗物質或是其他天體物理過程。這三種方法可互為補充，互相印證。“悟空”采用的是太空間接探測方法。

通過太空間接探測可以了解暗物質在整個宇宙或者特定星系中的情況，與暗物質的空間分布、作用本質聯系更加緊密。其最好的探測對象是光子，因為光子不受磁場影響而偏轉，可直接反映粒子產生的源的信息。暗物質衛星探測的是暗物質粒子之間相互碰撞湮滅后所產生的明物質高能粒子，這種暗物質粒子湮滅的物理機制在國際上是一種比較認可的物理模型。

測量宇宙線粒子能量的探測器一般有量能器和磁譜儀2種，其中量能器用于測量宇宙線在探測器中產生的簇射，但無法區分宇宙線的電荷符號。磁譜儀用于測量宇宙線在其磁場中的偏轉，能夠區分正反物質。我國“悟空”暗物質粒子探測衛星等天文衛星使用量能器探測暗物質；“國際空間站”上的α磁譜儀－2等使用磁譜儀探測暗物質。

2 “悟空”暗物質粒子探測衛星

“悟空”的科學目標是間接探測暗物質，研究宇宙線物理和γ射線天文。它主要探測電子宇宙射線、高能γ射線等，即通過在高空間分辨、寬能譜段觀測高能電子和γ射線尋找和研究暗物質粒子，在暗物質研究這一前沿科學領域取得重大突破；通過觀測能譜范圍在太電子伏以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；通過觀測高能γ射線，在γ天文學方面取得重要成果。

“悟空”的有效載荷結構示意圖

“悟空”質量為1.9t，其中有效載荷質量為1.4t。其采用以載荷為中心的設計方案。其有效載荷包括塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、鍺酸鉍（BGO）量能器、中子探測器及載荷數據管理器。

塑閃陣列探測器采用國內研制的世界最大閃爍體，用于測量入射宇宙線的電荷以區分不同核素，區分高能電子和γ射線。由于攻克了“塑閃晶體溫度形變適應結構的設計與實現”這一關鍵技術，所以探測器本底水平比國外同類探測器低許多。

硅陣列探測器是與歐洲合作研制的，達到國際領先水平，主要功能是測量入射宇宙線粒子的方向和電荷。γ射線首先在硅陣列探測器中轉化為正負電子對，然后進入BGO量能器。

BGO量能器是“悟空”中最核心、質量最大的設備，尺寸為60mm×60mm×60mm，其中有數百根晶體棒橫豎分層排列。其晶體跟鐵比重一樣，是一種被廣泛用來探測高能帶電粒子和γ射線的閃爍體材料，功能是測量宇宙線粒子尤其是電子和γ射線的能量。當高能宇宙線粒子打入BGO量能器后，根據那些發光的晶體來判斷粒子到達的方向，因為粒子會在BGO晶體中產生級聯簇射,由于宇宙線電子和質子在探測器中產生的簇射形狀完全不同，所以根據宇宙線粒子產生的簇射的形狀能判斷入射粒子的種類。入射粒子的能量越高，產生的簇射就越大，沉積在探測器內的能量就越多。根據在探測器中的能量沉積可確定入射宇宙線的能量。

探測器做得越厚，能量分辨率就會越高，能量探測范圍也就越大。現在，由于這種60mm長的BGO晶體只有中國科學院上海硅酸鹽研究所能做出來，所以“悟空”是目前觀測能段范圍最寬，能量分辨率最優的空間探測器，超過國際上所有同類探測器。

中子探測器用于測量宇宙線粒子與中子探測器上層的物質發生相互作用產生的次級中子，進一步區分宇宙線的成分。

3 技高一籌，具有很強國際競爭力

“悟空”對高能粒子的探測方法與α磁譜儀－2不同。它雖然不能像α磁譜儀－2那樣能探測粒子在磁場中的變化，區分粒子的電極性，但是測量的能量譜段是最高的，可以探測能量極高的粒子。

暗物質相互碰撞并湮滅時會產生明物質，其能量很高。如果沒有暗物質，通常宇宙中高能粒子的分布是逐漸下降的。因此，如果在太空中確定對某一個方向觀測，從那個方向過來的高能粒子會隨著能量譜段的升高越來越少。要想觀測到高能譜段，就必須發射天文衛星，其探測器要更大，才能看得更加清楚；而且在太空中受到的干擾最小，天文衛星飛行2～3年，能夠累積很多數據，這樣就能看到能量譜是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是，需要解釋為什么會這樣。假如探測器什么都沒有看到，至少也可以證明這種關于暗物質的理論不成立。

“悟空”將進行巡天觀測。經過1～2年的巡天后，如果對某一方向的粒子特別感興趣，發現新的物理現象，會調整衛星，讓它集中觀測這個方向。假如存在暗物質，可以進行連續的觀測。

受限于可以發射升空的磁鐵的大小，α磁譜儀－2只能測量600GeV，而“悟空”的工作能段為5GeV～10TeV（是迄今為止觀測能段范圍最寬的)，并將首次在空間進行1～10TeV的高能電子宇宙射線的測量，所以可以觀測到以前在很高能量譜段沒有發現的現象。另外，它有非常高的能量分辨率（優于1.5%，是目前能量分辨率最優的，超過國際上所有同類探測器），有望在尋找γ射線線譜信號方面有所突破。還有，它不僅做到了能量譜段的高覆蓋，而且由于使用的BGO量能器的晶體有60mm長，所以探測面積很大，使得其捕獲稀少的高能粒子的能力很強。由于“悟空”可測量能量很高的核子宇宙線，并且能夠區分各種宇宙線成分，因此將實現地面探測和空間探測在能譜上的銜接。另外，α磁譜儀－2成本高達20億美元，“悟空”則低得多，且研制周期較短，不到4年。

“悟空”具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強三大優點，在暗物質間接探測方面具有很強的國際競爭力。例如，在γ射線觀測方面，其靈敏度遠高于α磁譜儀－2等探測器。其能量分辨率大大高于美國“費米”γ射線大面積空間望遠鏡，整體譜線探測能力比“費米”至少要高10倍以上；在宇宙射線重核探測方面，超過目前國際上所有實驗。所以，它有望在暗物質探測和宇宙線物理兩大前沿領域取得重大突破，并可望在γ天文方面取得重要成果，一旦取得突破，將很可能會帶來物理學新的革命。

“悟空”進行力學振動試驗

裝在“國際空間站”桁架上的α磁譜儀-2

4 “悟空”首次獲得科學探測數據

2015年12月24日，“悟空”在升空后的第7天，成功獲取了首批科學數據。據“悟空”的首席科學家常進介紹，接收到的數據顯示，“悟空”的塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器四大科學載荷探測到的高能電子和γ射線計數與此前地面預測計數率一致，表明“悟空”的有效載荷已開始正常工作。常進說：“目前衛星所有的表現都很好，與預期一致，指向精度、穩定度等幾個重要指標比設計指標高多倍。”“悟空”已經探測到1.3TeV的高能粒子，它已經打開一個觀測宇宙的新窗口。“悟空”每秒大約會接收100顆左右的高能粒子。在這其中，高能電子與γ射線是科學家重點要尋找的，因為它們有可能就是暗物質湮滅或衰變產生的，又比較容易從其他天體產生的“噪音”中區分出來。

據介紹，在地面接收數據前，“悟空”經過了衛星平臺測試、有效載荷管理器加電測試、科學探測器高壓加電測試等程序。為保證衛星安全，“悟空”的高壓加電過程分兩個階段進行。在衛星飛行至106圈次時，科學載荷先加電壓至工作檔位1，即400V；衛星飛行至108圈次時，科學載荷再次加電至工作檔位2，即800V。

2015年12月24日17：55，在“悟空”飛行至114圈次時，地面支撐系統中的北京密云站成功接收到衛星首批探測到的科學數據，并將數據實時傳送到位于懷柔的地面支撐系統中的空間科學任務大廳。巨大的顯示屏幕上實時顯示了“悟空”飛躍中國上空的位置，以及無數高能粒子擊中探測器后計算機生成的各種柱狀、波形圖像。

“悟空”成功獲取首批科學數據并下傳至中國科學院國家空間科學中心空間科學任務大廳

“悟空”每天在約500km高的太陽同步軌道（SSO）上繞地球飛行15圈，每當飛越中國上空，便將探測數據傳向地面。在后續工作中，“悟空”的有效載荷還要經歷2個月的在軌測試和標定，之后正式交付中國科學院紫金山天文臺負責的科學應用系統進入在軌運行階段，開始為期2年的巡天觀測和1年的定向觀測。

在3年的設計壽命中，“悟空”將通過高能量分辨、寬能譜段觀測高能電子和γ射線，尋找和研究暗物質粒子，同時將在宇宙射線起源和γ射線天文學方面取得重大進展。首批科學成果有望在衛星發射后6個月至1年后發布。

未來，我國還將用裝在空間站上的“高能宇宙輻射探測設施”（HERD），重點探測暗物質湮滅的γ射線譜線，它將有可能測量到暗物質湮滅的確鑿無疑的信號。我國之所以在發射“暗物質粒子探測衛星”之后，還要搞“高能宇宙輻射探測設施”，主要是為了增加搜尋暗物質的手段和擴大搜尋參數空間，各實驗互相補充。“暗物質粒子探測衛星”和“高能宇宙輻射探測設施”的先后實施將使我國在該領域保持領先并且做出重大科學發現。

2016年，我國還將發射“硬X射線調制望遠鏡衛星”（HXMT）、“量子科學實驗衛星”（QUESS）、實踐－10（SJ－10）返回式科學實驗衛星，并已制定了2016-2030年中國空間科學發展規劃建議，包括“黑洞探針”計劃、“天體號脈”計劃和“輕盈”計劃等一系列計劃。總而言之，我國空間科學發展的前景十分廣闊。

西游/文