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觀測(cè)能段范圍最寬 能量分辨率最優(yōu)中國(guó)首顆天文衛(wèi)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星升空

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

2015年12月17日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征－2D運(yùn)載火箭發(fā)射自行研制的首顆天文衛(wèi)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星[原名“暗物質(zhì)粒子探測(cè)”（DAMPE）衛(wèi)星]，從而拉開了我國(guó)空間天文學(xué)發(fā)展的序幕。

在人類的太空探索中，天文衛(wèi)星的問(wèn)世使天文學(xué)產(chǎn)生了第三次飛躍，因?yàn)樗淖兞艘酝赜^天的傳統(tǒng)，擺脫了氣層的封鎖，可以在全波段范圍內(nèi)對(duì)宇宙空間進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)。自從1960年世界第一顆天文衛(wèi)星上天以來(lái)，可見光天文衛(wèi)星、X射線天文衛(wèi)星、γ射線天文衛(wèi)星、紅外天文衛(wèi)星和紫外天文衛(wèi)星等各類天文衛(wèi)星層出不窮，其觀測(cè)成果極大地促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。為此，美國(guó)、歐洲航天局、日本、俄羅斯等國(guó)家和組織正在不斷研制和發(fā)射多種新型天文衛(wèi)星，并獲得巨大科研成果。印度也于2015年9月28日發(fā)射了其首顆天文衛(wèi)星——“天文學(xué)衛(wèi)星”（AstroSat）。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)于2011年啟動(dòng)了“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”，將陸續(xù)發(fā)射多顆各類天文衛(wèi)星，從而逐漸改變我國(guó)只是天文知識(shí)的使用國(guó)，而非產(chǎn)出國(guó)的局面，以獲得重大原創(chuàng)性天文學(xué)成果，并使得我國(guó)有能力為人類的太空探索、技術(shù)進(jìn)步及社會(huì)發(fā)展做出持續(xù)性的貢獻(xiàn)。

1 探測(cè)暗物質(zhì)的三種方法

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

暗物質(zhì)是由萬(wàn)有引力效應(yīng)明確證實(shí)其存在，但卻無(wú)法通過(guò)電磁波被直接觀測(cè)到的物質(zhì)，這是長(zhǎng)久以來(lái)粒子物理和宇宙學(xué)的核心問(wèn)題之一。揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后的又一次重大科學(xué)突破，從而推動(dòng)解釋宇宙為什么會(huì)是這樣以及未來(lái)將怎樣演化。其研究成果很可能導(dǎo)致粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和大爆炸宇宙論的完善、更新甚至揚(yáng)棄，預(yù)示著人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的新的革命，直接推進(jìn)人類對(duì)宇宙演化，對(duì)物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的理解，也將是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)革命性的飛躍。所以，不少國(guó)家都在開展這一方向的研究。

探測(cè)宇宙線分為地面探測(cè)和空間探測(cè)，兩者各有千秋。后者的優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)量低能宇宙線，并且能區(qū)分宇宙線的種類，不足之處是受技術(shù)難度和費(fèi)用的限制，目前難以測(cè)量高能區(qū)的宇宙線，而前者反之，所以它們之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。

鏈接：我國(guó)已在四川雅礱江錦屏山的隧道內(nèi)建造了錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。其上方有厚達(dá)2400m的巖石層，可以將穿透力極強(qiáng)的宇宙射線隔絕到只有地面的大約億分之一，為探測(cè)暗物質(zhì)提供了一個(gè)幾乎沒(méi)有干擾的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室使用的是我國(guó)自主設(shè)計(jì)的高純鍺探測(cè)器，測(cè)量暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時(shí)產(chǎn)生的熱。加拿大、美國(guó)、意大利、日本等國(guó)也建有尋找暗物質(zhì)的地下實(shí)驗(yàn)室。

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星在軌示意圖

現(xiàn)在，通常用三種探測(cè)方法了解暗物質(zhì)的本質(zhì)：地下直接探測(cè)、地面加速器實(shí)驗(yàn)探測(cè)和太空間接探測(cè)。其中，地下直接探測(cè)是在地下（為了防干擾）布下“靶子”，等著暗物質(zhì)粒子撞擊留下蛛絲馬跡,這種守株待兔的方法使暗物質(zhì)存在的參數(shù)空間受到一定的限制；地面加速器實(shí)驗(yàn)探測(cè)是在加速器的“粒子工廠”里將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來(lái)，這種主動(dòng)創(chuàng)造的方法目前沒(méi)有明確地給出暗物質(zhì)搜尋的結(jié)果；太空間接探測(cè)是到太空捕捉暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變后留下的證據(jù)，此法看到了一些暗物質(zhì)粒子存在的跡象，但仍需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)積累以及更高能量的精確測(cè)量，以確定這些信號(hào)究竟是來(lái)自于暗物質(zhì)或是其他天體物理過(guò)程。這三種方法可互為補(bǔ)充，互相印證?！拔蚩铡辈捎玫氖翘臻g接探測(cè)方法。

通過(guò)太空間接探測(cè)可以了解暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙或者特定星系中的情況，與暗物質(zhì)的空間分布、作用本質(zhì)聯(lián)系更加緊密。其最好的探測(cè)對(duì)象是光子，因?yàn)楣庾硬皇艽艌?chǎng)影響而偏轉(zhuǎn)，可直接反映粒子產(chǎn)生的源的信息。暗物質(zhì)衛(wèi)星探測(cè)的是暗物質(zhì)粒子之間相互碰撞湮滅后所產(chǎn)生的明物質(zhì)高能粒子，這種暗物質(zhì)粒子湮滅的物理機(jī)制在國(guó)際上是一種比較認(rèn)可的物理模型。

測(cè)量宇宙線粒子能量的探測(cè)器一般有量能器和磁譜儀2種，其中量能器用于測(cè)量宇宙線在探測(cè)器中產(chǎn)生的簇射，但無(wú)法區(qū)分宇宙線的電荷符號(hào)。磁譜儀用于測(cè)量宇宙線在其磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，能夠區(qū)分正反物質(zhì)。我國(guó)“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星等天文衛(wèi)星使用量能器探測(cè)暗物質(zhì)；“國(guó)際空間站”上的α磁譜儀－2等使用磁譜儀探測(cè)暗物質(zhì)。

2 “悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星

“悟空”的科學(xué)目標(biāo)是間接探測(cè)暗物質(zhì)，研究宇宙線物理和γ射線天文。它主要探測(cè)電子宇宙射線、高能γ射線等，即通過(guò)在高空間分辨、寬能譜段觀測(cè)高能電子和γ射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子，在暗物質(zhì)研究這一前沿科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破；通過(guò)觀測(cè)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(guò)觀測(cè)高能γ射線，在γ天文學(xué)方面取得重要成果。

“悟空”的有效載荷結(jié)構(gòu)示意圖

“悟空”質(zhì)量為1.9t，其中有效載荷質(zhì)量為1.4t。其采用以載荷為中心的設(shè)計(jì)方案。其有效載荷包括塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、鍺酸鉍（BGO）量能器、中子探測(cè)器及載荷數(shù)據(jù)管理器。

塑閃陣列探測(cè)器采用國(guó)內(nèi)研制的世界最大閃爍體，用于測(cè)量入射宇宙線的電荷以區(qū)分不同核素，區(qū)分高能電子和γ射線。由于攻克了“塑閃晶體溫度形變適應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”這一關(guān)鍵技術(shù)，所以探測(cè)器本底水平比國(guó)外同類探測(cè)器低許多。

硅陣列探測(cè)器是與歐洲合作研制的，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，主要功能是測(cè)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(cè)器中轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)，然后進(jìn)入BGO量能器。

BGO量能器是“悟空”中最核心、質(zhì)量最大的設(shè)備，尺寸為60mm×60mm×60mm，其中有數(shù)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(lái)探測(cè)高能帶電粒子和γ射線的閃爍體材料，功能是測(cè)量宇宙線粒子尤其是電子和γ射線的能量。當(dāng)高能宇宙線粒子打入BGO量能器后，根據(jù)那些發(fā)光的晶體來(lái)判斷粒子到達(dá)的方向，因?yàn)榱Ｗ訒?huì)在BGO晶體中產(chǎn)生級(jí)聯(lián)簇射,由于宇宙線電子和質(zhì)子在探測(cè)器中產(chǎn)生的簇射形狀完全不同，所以根據(jù)宇宙線粒子產(chǎn)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(chǎn)生的簇射就越大，沉積在探測(cè)器內(nèi)的能量就越多。根據(jù)在探測(cè)器中的能量沉積可確定入射宇宙線的能量。

探測(cè)器做得越厚，能量分辨率就會(huì)越高，能量探測(cè)范圍也就越大?，F(xiàn)在，由于這種60mm長(zhǎng)的BGO晶體只有中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所能做出來(lái)，所以“悟空”是目前觀測(cè)能段范圍最寬，能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。

中子探測(cè)器用于測(cè)量宇宙線粒子與中子探測(cè)器上層的物質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級(jí)中子，進(jìn)一步區(qū)分宇宙線的成分。

3 技高一籌，具有很強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力

“悟空”對(duì)高能粒子的探測(cè)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(cè)粒子在磁場(chǎng)中的變化，區(qū)分粒子的電極性，但是測(cè)量的能量譜段是最高的，可以探測(cè)能量極高的粒子。

暗物質(zhì)相互碰撞并湮滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生明物質(zhì)，其能量很高。如果沒(méi)有暗物質(zhì)，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(duì)某一個(gè)方向觀測(cè)，從那個(gè)方向過(guò)來(lái)的高能粒子會(huì)隨著能量譜段的升高越來(lái)越少。要想觀測(cè)到高能譜段，就必須發(fā)射天文衛(wèi)星，其探測(cè)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(wèi)星飛行2～3年，能夠累積很多數(shù)據(jù)，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(huì)這樣。假如探測(cè)器什么都沒(méi)有看到，至少也可以證明這種關(guān)于暗物質(zhì)的理論不成立。

“悟空”將進(jìn)行巡天觀測(cè)。經(jīng)過(guò)1～2年的巡天后，如果對(duì)某一方向的粒子特別感興趣，發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，會(huì)調(diào)整衛(wèi)星，讓它集中觀測(cè)這個(gè)方向。假如存在暗物質(zhì)，可以進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。

受限于可以發(fā)射升空的磁鐵的大小，α磁譜儀－2只能測(cè)量600GeV，而“悟空”的工作能段為5GeV～10TeV（是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬的)，并將首次在空間進(jìn)行1～10TeV的高能電子宇宙射線的測(cè)量，所以可以觀測(cè)到以前在很高能量譜段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。另外，它有非常高的能量分辨率（優(yōu)于1.5%，是目前能量分辨率最優(yōu)的，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器），有望在尋找γ射線線譜信號(hào)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(zhǎng)，所以探測(cè)面積很大，使得其捕獲稀少的高能粒子的能力很強(qiáng)。由于“悟空”可測(cè)量能量很高的核子宇宙線，并且能夠區(qū)分各種宇宙線成分，因此將實(shí)現(xiàn)地面探測(cè)和空間探測(cè)在能譜上的銜接。另外，α磁譜儀－2成本高達(dá)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(cè)量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)三大優(yōu)點(diǎn)，在暗物質(zhì)間接探測(cè)方面具有很強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。例如，在γ射線觀測(cè)方面，其靈敏度遠(yuǎn)高于α磁譜儀－2等探測(cè)器。其能量分辨率大大高于美國(guó)“費(fèi)米”γ射線大面積空間望遠(yuǎn)鏡，整體譜線探測(cè)能力比“費(fèi)米”至少要高10倍以上；在宇宙射線重核探測(cè)方面，超過(guò)目前國(guó)際上所有實(shí)驗(yàn)。所以，它有望在暗物質(zhì)探測(cè)和宇宙線物理兩大前沿領(lǐng)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(huì)帶來(lái)物理學(xué)新的革命。

“悟空”進(jìn)行力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)

裝在“國(guó)際空間站”桁架上的α磁譜儀-2

4 “悟空”首次獲得科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)

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(xué)數(shù)據(jù)。據(jù)“悟空”的首席科學(xué)家常進(jìn)介紹，接收到的數(shù)據(jù)顯示，“悟空”的塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、BGO量能器、中子探測(cè)器四大科學(xué)載荷探測(cè)到的高能電子和γ射線計(jì)數(shù)與此前地面預(yù)測(cè)計(jì)數(shù)率一致，表明“悟空”的有效載荷已開始正常工作。常進(jìn)說(shuō)：“目前衛(wèi)星所有的表現(xiàn)都很好，與預(yù)期一致，指向精度、穩(wěn)定度等幾個(gè)重要指標(biāo)比設(shè)計(jì)指標(biāo)高多倍。”“悟空”已經(jīng)探測(cè)到1.3TeV的高能粒子，它已經(jīng)打開一個(gè)觀測(cè)宇宙的新窗口?！拔蚩铡泵棵氪蠹s會(huì)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(xué)家重點(diǎn)要尋找的，因?yàn)樗鼈冇锌赡芫褪前滴镔|(zhì)湮滅或衰變產(chǎn)生的，又比較容易從其他天體產(chǎn)生的“噪音”中區(qū)分出來(lái)。

據(jù)介紹，在地面接收數(shù)據(jù)前，“悟空”經(jīng)過(guò)了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷管理器加電測(cè)試、科學(xué)探測(cè)器高壓加電測(cè)試等程序。為保證衛(wèi)星安全，“悟空”的高壓加電過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行。在衛(wèi)星飛行至106圈次時(shí)，科學(xué)載荷先加電壓至工作檔位1，即400V；衛(wèi)星飛行至108圈次時(shí)，科學(xué)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(shí)，地面支撐系統(tǒng)中的北京密云站成功接收到衛(wèi)星首批探測(cè)到的科學(xué)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到位于懷柔的地面支撐系統(tǒng)中的空間科學(xué)任務(wù)大廳。巨大的顯示屏幕上實(shí)時(shí)顯示了“悟空”飛躍中國(guó)上空的位置，以及無(wú)數(shù)高能粒子擊中探測(cè)器后計(jì)算機(jī)生成的各種柱狀、波形圖像。

“悟空”成功獲取首批科學(xué)數(shù)據(jù)并下傳至中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間科學(xué)任務(wù)大廳

“悟空”每天在約500km高的太陽(yáng)同步軌道（SSO）上繞地球飛行15圈，每當(dāng)飛越中國(guó)上空，便將探測(cè)數(shù)據(jù)傳向地面。在后續(xù)工作中，“悟空”的有效載荷還要經(jīng)歷2個(gè)月的在軌測(cè)試和標(biāo)定，之后正式交付中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)負(fù)責(zé)的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)入在軌運(yùn)行階段，開始為期2年的巡天觀測(cè)和1年的定向觀測(cè)。

在3年的設(shè)計(jì)壽命中，“悟空”將通過(guò)高能量分辨、寬能譜段觀測(cè)高能電子和γ射線，尋找和研究暗物質(zhì)粒子，同時(shí)將在宇宙射線起源和γ射線天文學(xué)方面取得重大進(jìn)展。首批科學(xué)成果有望在衛(wèi)星發(fā)射后6個(gè)月至1年后發(fā)布。

未來(lái)，我國(guó)還將用裝在空間站上的“高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施”（HERD），重點(diǎn)探測(cè)暗物質(zhì)湮滅的γ射線譜線，它將有可能測(cè)量到暗物質(zhì)湮滅的確鑿無(wú)疑的信號(hào)。我國(guó)之所以在發(fā)射“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”之后，還要搞“高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施”，主要是為了增加搜尋暗物質(zhì)的手段和擴(kuò)大搜尋參數(shù)空間，各實(shí)驗(yàn)互相補(bǔ)充?！鞍滴镔|(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”和“高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施”的先后實(shí)施將使我國(guó)在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先并且做出重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

2016年，我國(guó)還將發(fā)射“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”（HXMT）、“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”（QUESS）、實(shí)踐－10（SJ－10）返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并已制定了2016-2030年中國(guó)空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃建議，包括“黑洞探針”計(jì)劃、“天體號(hào)脈”計(jì)劃和“輕盈”計(jì)劃等一系列計(jì)劃。總而言之，我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展的前景十分廣闊。

西游/文