“火眼金睛”揭示宇宙奧秘
——悟空號衛星取得七大科技成果

魏逸豐 (中國科學技術大學)

1 引言

天文觀測表明，宇宙中廣泛存在暗物質，約占宇宙總質能的1/4，是我們已知普通物質的5 倍。然而自20 世紀30年代以來，科學家僅能通過引力在宏觀尺度觀測暗物質，其物理性質至今仍不為人所知。另一個世紀謎題是高能宇宙射線的起源、加速機制，宇宙線所關聯的極端加速和極端相互作用等問題使其在物理學中備受關注。這兩大科學問題都被列為美國國家研究委員會（NRC）遴選出的21 世紀11 個宇宙物理學重大科學問題之中[1]。除此之外，高能伽馬射線是探索極端宇宙的重要探針之一，有助于揭示宇宙中極端天體的性質，了解其中蘊藏的物理過程和規律。

悟空號暗物質粒子探測衛星（DAMPE）（簡稱悟空號）正是為了解決上述謎題而誕生。在中國科學院戰略性先導科技專項支持下，悟空號衛星于2015年完成研制，是我國第一顆天文實驗衛星[2]。2015年12月17日，悟空號在酒泉衛星發射中心順利升空，發射到離地高度約500km 的太陽同步軌道，開始了太空遨游之旅。在這7年內，悟空號累計繞地飛行38952 軌，完成全天區掃描14 次，共探測到130億個高能粒子，平均每天記錄約500 萬高能粒子，共計形成高級數據產品（2A 級）216TB。悟空號目前已遠超設計壽命，各項探測器指標依然保持良好工作狀態，仍將繼續運行取數。

2 悟空號的科學目標與載荷探測器

宇宙線是來自外太空的高能粒子，比如電子、質子、光子，它們可能反映了諸如暗物質、天體活動、星際介質等重要的物理性質。悟空號的本質就是一個宇宙線粒子探測器，通過觀測這些宇宙線來進行科學研究。其主要科學目標可以概括為以下三個方面：

1）通過高精度觀測正負電子和伽馬射線的能譜、方向分布來間接探測暗物質粒子；

2）通過精確測量寬能段核素宇宙射線的能譜和各向異性研究宇宙射線的起源、傳播和加速；

3）通過觀測伽馬射線研究黑洞、中子星等極端天體上發生的高能現象。

為了實現科學目標，優秀的探測器設計及高性能指標是基礎，它們也是悟空號的“火眼金睛”。悟空號由4 個子探測器組成，其結構示意圖如圖所示。自上而下，分別是探測粒子電荷的塑閃陣列探測器（PSD）、測量粒子方向的硅陣列探測器（STK）、測量能量并進行粒子鑒別的鍺酸鉍量能器（BGO）和輔助進行粒子鑒別的中子探測器（NUD）。這4 個子探測器進行組合，即可測量宇宙線粒子的種類、能量和方向這3 個關鍵物理信息，并且可以實現相對大的探測面積、106倍的單元探測器動態范圍、105倍的電子質子鑒別、約1.5%的電子伽馬能量分辨率。相比其他同類探測器，悟空號擁有目前最高的工作能段、最高的能量分辨率和高粒子鑒別本領。

悟空號探測器結構示意圖

3 悟空號的科學成果

在悟空號的7年運行時間中，團隊已經發表了7項重要物理成果，下面一一進行介紹。

（1）發現宇宙線電子能譜0.9 TeV 處拐折的新現象

天文學家已在各種不同的觀測中表明宇宙需要一種不可見的能夠提供引力的物質，即暗物質。弱相互作用大質量粒子（WIMP）是暗物質粒子模型中的一個重要候選者，一些模型預言WIMP 暗物質粒子可以湮滅或者衰變產生正負電子或者光子，因此可以通過觀測這些次級產物來尋找暗物質粒子。本小節介紹悟空號對正負電子的測量結果。

2017年底，悟空號團隊基于衛星運行的前530 天數據，成功獲得25 GeV-4.6 TeV 能段正負電子能譜結構的精確測量結果。與世界上其他的空間項目相比，悟空號顯著提高了電子宇宙射線的能量測量準確性，測量到的電子信號中混入質子本底數量最少、“純凈”程度最高，開辟了宇宙觀測新窗口。悟空號首次以高置信度發現能譜在約0.9 TeV 處的拐折結構，為理解宇宙線正負電子的起源和限制暗物質模型參數提供了重要觀測數據。該成果發表在國際知名學術期刊Nature[3]，并入選2018年度中國科學十大進展。

悟空號測量正負電子能譜（紅點），發現0.9 TeV 處能譜拐折的新現象

（2）尋找伽馬射線線譜結構，對暗物質模型給予強限制

如上節所述，WIMP 模型也預言暗物質粒子可能湮滅或者衰變成光子，具體來說，即可以形成GeV-TeV 能區的伽馬射線線譜結構。一般而言，來自于天體物理過程產生的伽馬射線輻射是一個連續譜，假若我們在伽馬射線能區發現一條線譜，那將預示著某種來自于暗物質或新物理的未知過程。正因如此，天文界積極開展線譜搜尋工作。近10年來，科學家們主要利用美國費米衛星觀測的銀河系中心、星系團和矮星系等多個區域的伽馬射線數據搜尋GeVTeV 的線譜，限制了暗物質的參數空間。

基于前5年的觀測數據， 悟空號團隊在10 ～300 GeV 的能區內進行了線譜信號搜尋，對暗物質湮滅截面的上限和衰變壽命予以了強限制。如圖所示，悟空號在接收度只有費米衛星的1/10 的條件下，憑借其高能量分辨率獲得了和費米衛星相當的限制水平。在暗物質衰變情形，悟空號在100GeV 以下能區比費米衛星強1 倍左右。該結果證明了高能量分辨探測器在暗物質搜尋方面的發現潛力。該成果是悟空號的首個伽馬射線數據分析結果，于2022年發表于我國綜合類學術期刊Science Bulletin[4]。

（3）發現宇宙線質子能譜13.6 TeV 處變軟的現象

宇宙線被認為起源于超新星爆炸的遺跡或者黑洞吸積等極端天體，因此它們也是極端條件下天體環境和物理規律的信使。人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀，但時至今日，關于宇宙線的起源、加速機制以及它們在宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問題仍然沒有得到徹底解答。

質子是宇宙線中豐度最高的成分，觀測宇宙線質子，有助于研究銀河系中宇宙射線的起源與加速機制。悟空號團隊基于30 個月的觀測數據，獲得了從40 GeV-100 TeV 的宇宙線質子能譜，是目前國際上10 TeV-100 TeV 能段統計誤差和系統誤差最低的能譜測量結果，該結果的能量上限比丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀（AMS-02）實驗高出近50 倍，比日本科學家領銜的量熱儀型電子望遠鏡（CALET）實驗最新結果高出10 倍。該結果確認了之前PAMELA、AMS-02 實驗發現的質子能譜于幾百GeV 處能譜變硬的現象，并以高置信程度觀測到了13.6 TeV 處能譜變軟的跡象，這一新的結構很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記，其能量加速的上限即對應于拐折能量。該成果于2019年發表在期刊Science Advances[5]，并入選2019年度中國十大天文科技進展。

悟空號對產生單能伽馬射線線譜的暗物質衰變壽命排除區域（陰影）

悟空號質子能譜（紅點）和其他實驗結果對比

（4）發現宇宙線氦核能譜34 TeV 處變軟的現象

氦核是宇宙線中豐度第二高的核素，具有重要的研究價值。悟空號團隊基于4.5年的觀測數據，獲得了70 GeV-80 TeV 的宇宙線氦核能譜，其能量上限比AMS-02 實驗高出10 倍。該結果以極高的置信程度確認了之前AMS-02 實驗發現的氦核能譜于約1.2 TeV 處的變硬的現象，并以高置信程度觀測到了約34 TeV 處能譜變軟的拐折跡象。結合悟空號在質子能譜測量中觀測到能量約14 TeV 處能譜存在拐折結構，質子和氦核的能譜體現出非常類似的行為，表明宇宙線的譜指數變化可能存在與粒子攜帶電荷的相關性，但在目前的實驗精度下尚無法完全排除譜指數與粒子的質量相關的可能性。這一新的拐折結構及其電荷依賴的特性預示著宇宙質子和氦可能都來自鄰近地球的某個宇宙線加速源，拐折能量對應于該源的加速上限。2021年，該成果作為編輯推薦發表在國際知名物理學期刊Physical Review Letters[6]。

悟空號氦核能譜（紅點）和其他實驗結果對比

（5）揭示電子福布斯下降的新特征

宇宙線在太陽系內的傳播和太陽活動以及行星際環境密切相關。劇烈的太陽耀斑事件通常會伴隨產生日冕物質拋射，由太陽表面拋出的大量磁化等離子體團塊在行星際空間中傳播對部分銀河宇宙線產生屏蔽作用，進而導致地球上觀測到的宇宙線流量呈現快速下降的行為，稱為福布斯下降，以美國科學家福布斯（S. Forbush）名字命名。福布斯下降是探索宇宙線在太陽系內輸運過程和行星際環境的重要手段。

過去對福布斯下降行為的研究通常通過地面布設的中子監視器進行。中子監視器探測的是宇宙線原子核和空氣發生反應后產生的次級中子，不能得到不同組分粒子的福布斯下降行為，而且其反映的是閾值以上的宇宙線產生的積分效應，也不能有效給出不同能量的下降行為。關于宇宙線正負電子的福布斯下降更是鮮有觀測。因此，通過衛星實驗直接觀測福布斯下降事件（特別是正負電子）具有重要的科學意義。

悟空號衛星記錄到了2017年9月一次巨大的太陽耀斑后發生的福布斯下降行為。通過分析悟空號數據，悟空號團隊獲得了正負電子從2 GeV 到20 GeV能段的福布斯下降行為，時間分辨率達到6 小時。這是國際上迄今為止對宇宙線正負電子福布斯下降進行的最高時間分辨率和最高能量覆蓋的測量。作為比較，PAMELA 衛星對2006年的一次電子福布斯下降的觀測最高能量僅為5 GeV，時間分辨率為2 天。此次悟空號的結果準確測量了流量下降后的恢復時間隨著能量的變化關系，揭示出和傳統理論預期不完全相符的新特征，為理解宇宙射線在太陽系內的輸運過程以及和太陽活動的關系提供了新的數據。該成果于2021年發表在期刊The Astrophysical Journal Letters[7]。

福布斯下降事件時，悟空號測量的正負電子流量隨時間的變化（綠點）和悟空號無觸發事例（粉線）以及地面中子監視器（藍線）結果對比

（6）發現硼碳、硼氧流量比100 GeV/n 處能譜變硬新結構

宇宙線硼碳和硼氧流量比是宇宙線傳播模型中的重要參數。在宇宙線中，碳核、氧核是恒星核合成過程中產生的原初粒子，而硼核則主要是碳核、氧核在傳播過程中和星際物質發生碰撞后產生的次級粒子。因此，通過對宇宙線中硼碳和硼氧流量比的精確測量可以研究宇宙線在傳播路徑上的作用過程。

20 世紀40 至60年代建立起來的經典的宇宙線傳播模型預測硼碳和硼氧流量比隨能量的變化應服從單一冪律分布，且譜指數應為-1/3 或-1/2。近些年的直接觀測實驗（如：PAMELA、AMS-02 等）發現宇宙線硼碳比在百GeV/n 以下能區確實符合單一冪律分布，且譜指數非常接近-1/3，被認為是建立于1941年柯爾莫哥洛夫（Kolmogorov）湍流擴散理論的直接證據。但在更高能區，尤其是TeV/n 以上，前述實驗因測量精度的限制無法給出準確的探測結果，不能對現有的宇宙線傳播模型給出有效檢驗。

悟空號團隊基于2016—2021年的衛星觀測數據，獲得了10 GeV/n 到5.6 TeV/n 能段宇宙線硼碳、硼氧流量比的精確測量結果。這是國際上首次實現對1 TeV/n 以上硼碳、硼氧流量比進行精確測量，能量上限比AMS-02 實驗高出5 倍。該結果首次以高置信度發現了宇宙線硼碳、硼氧流量比在相同能量（約100 GeV/n）處出現變硬的行為，顯示了明顯偏離單一冪律分布的行為特征，意味著高能段宇宙線傳播速度比預想的更慢，對傳統宇宙射線傳播模型提出了挑戰。2022年，該成果作為封面文章發表于我國綜合類學術期刊Science Bulletin[8]。

悟空號宇宙線硼碳比（左圖紅點）、硼氧比（右圖紅點）和其他實驗結果對比藍色虛線為傳統模型預期

（7） 獲得空間實驗尋找分數電荷粒子的最好結果

1909年密立根（R.A.Millikan）通過油滴實驗首次測量了電子攜帶的電荷量。自此以后，人們探測到的粒子都攜帶整數倍的電子電荷，因此，電子電荷也被認為是自然界中最小的電荷。1964年美國物理學家蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和齊威格(George Zweig)提出夸克模型，其中夸克作為基本粒子攜帶分數電荷（1/3e 或2/3e）。量子色動力學理論表明，由于色禁閉，并不存在自由夸克。然而，迄今提出的一些新理論拓展了粒子物理標準模型，認為攜帶分數電荷的自由粒子（FCP）仍可能存在。幾十年來，許多實驗一直在尋找分數電荷粒子，一旦有所發現，將是對標準模型理論的延伸或超越。

宇宙線被認為是一個可能的分數電荷粒子來源。以往的相關研究大多基于地下實驗的觀測，它們要求宇宙線中的分數電荷粒子攜帶很高的動能（大于數百 GeV）來穿透地表的巖石層達到地下。近年來，隨著運載技術和實驗技術的進步，使近地軌道上運行的空間實驗成為可能。這類實驗對分數電荷粒子的能量探測下限可低至幾個GeV，具備獨特的優勢。

悟空號是目前在軌運行的最靈敏的電荷測量實驗之一，能有效地鑒別2/3e 分數電荷粒子和單電荷粒子。悟空號團隊經過分析2016—2020年采集的超過90億個宇宙線粒子數據，并未發現2/3e 分數電荷粒子的信號，因此給出空間實驗中迄今為止最嚴格的通量上限（90%置信度），其靈敏度比以往同類實驗更高3個數量級，將對分數電荷粒子的模型進行更強的限制。該成果于2022年發表在Physical Review D[9]。

悟空號對2/3e 粒子設出的流量上限（紅點）和其他實驗結果對比，左圖為地面實驗結果，右圖為空間實驗結果。

4 結束語

悟空號衛星是我國首個空間高能粒子探測器，一些重要性能指標達到了國際領先水平，為人們研究TeV 以上的高能宇宙射線打開了新的窗口。悟空號迄今已穩定在軌運行7年，積累了超過130 個宇宙線粒子的數據，悟空號團隊也已發表了7 個重要的物理成果，為理解和認識高能宇宙線的起源及傳播機制、尋找暗物質和分數電荷粒子等新物理、研究宇宙線與太陽活動的相關性等科學問題提供了新的重要知識。隨著悟空號衛星的持續運行，進一步積累觀測數據，相信它將繼續在太空中盡情施展自己的功力，為中國空間科學的宏偉畫卷增添新的色彩。

注：本文研究成果由悟空號（DAMPE）合作組完成，由魏逸豐收集、整理。