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觀測能段范圍最寬 能量分辨率最優(yōu)中國首顆天文衛(wèi)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)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(wèi)星發(fā)射中心用長征－2D運載火箭發(fā)射自行研制的首顆天文衛(wèi)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星[原名“暗物質(zhì)粒子探測”（DAMPE）衛(wèi)星]，從而拉開了我國空間天文學(xué)發(fā)展的序幕。

在人類的太空探索中，天文衛(wèi)星的問世使天文學(xué)產(chǎn)生了第三次飛躍，因為它改變了以往坐地觀天的傳統(tǒng)，擺脫了氣層的封鎖，可以在全波段范圍內(nèi)對宇宙空間進行詳細的觀測。自從1960年世界第一顆天文衛(wèi)星上天以來，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，其觀測成果極大地促進了天文學(xué)的發(fā)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(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)過多年努力，我國于2011年啟動了“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”，將陸續(xù)發(fā)射多顆各類天文衛(wèi)星，從而逐漸改變我國只是天文知識的使用國，而非產(chǎn)出國的局面，以獲得重大原創(chuàng)性天文學(xué)成果，并使得我國有能力為人類的太空探索、技術(shù)進步及社會發(fā)展做出持續(xù)性的貢獻。

1 探測暗物質(zhì)的三種方法

暗物質(zhì)被比作“籠罩在21世紀物理學(xué)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(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，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)無法被直接觀測到，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)是由萬有引力效應(yīng)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(zhì)，這是長久以來粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一。揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學(xué)之后的又一次重大科學(xué)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(dǎo)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(yù)示著人類對物質(zhì)世界認識的新的革命，直接推進人類對宇宙演化，對物質(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(yōu)點是能測量低能宇宙線，并且能區(qū)分宇宙線的種類，不足之處是受技術(shù)難度和費用的限制，目前難以測量高能區(qū)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(nèi)建造了錦屏極深地下暗物質(zhì)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(zhì)提供了一個幾乎沒有干擾的環(huán)境。實驗室使用的是我國自主設(shè)計的高純鍺探測器，測量暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時產(chǎn)生的熱。加拿大、美國、意大利、日本等國也建有尋找暗物質(zhì)的地下實驗室。

“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星在軌示意圖

現(xiàn)在，通常用三種探測方法了解暗物質(zhì)的本質(zhì)：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(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；地面加速器實驗探測是在加速器的“粒子工廠”里將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，這種主動創(chuàng)造的方法目前沒有明確地給出暗物質(zhì)搜尋的結(jié)果；太空間接探測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，但仍需要進一步的數(shù)據(jù)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(zhì)或是其他天體物理過程。這三種方法可互為補充，互相印證?！拔蚩铡辈捎玫氖翘臻g接探測方法。

通過太空間接探測可以了解暗物質(zhì)在整個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。其最好的探測對象是光子，因為光子不受磁場影響而偏轉(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(chǎn)生的簇射，但無法區(qū)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(zhuǎn)，能夠區(qū)分正反物質(zhì)。我國“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星等天文衛(wèi)星使用量能器探測暗物質(zhì)；“國際空間站”上的α磁譜儀－2等使用磁譜儀探測暗物質(zhì)。

2 “悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星

“悟空”的科學(xué)目標是間接探測暗物質(zhì)，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(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(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(shù)據(jù)管理器。

塑閃陣列探測器采用國內(nèi)研制的世界最大閃爍體，用于測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)計與實現(xiàn)”這一關(guān)鍵技術(shù)，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(lǐng)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(zhuǎn)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(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(jù)那些發(fā)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(chǎn)生級聯(lián)簇射,由于宇宙線電子和質(zhì)子在探測器中產(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，沉積在探測器內(nèi)的能量就越多。根據(jù)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(xiàn)在，由于這種60mm長的BGO晶體只有中國科學(xué)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(yōu)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(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級中子，進一步區(qū)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(qū)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(zhì)相互碰撞并湮滅時會產(chǎn)生明物質(zhì)，其能量很高。如果沒有暗物質(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(fā)射天文衛(wèi)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(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，需要解釋為什么會這樣。假如探測器什么都沒有看到，至少也可以證明這種關(guān)于暗物質(zhì)的理論不成立。

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

受限于可以發(fā)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(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(qū)分各種宇宙線成分，因此將實現(xiàn)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(yōu)點，在暗物質(zhì)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(zhì)探測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，將很可能會帶來物理學(xué)新的革命。

“悟空”進行力學(xué)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(xué)探測數(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)家常進介紹，接收到的數(shù)據(jù)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(xué)載荷探測到的高能電子和γ射線計數(shù)與此前地面預(yù)測計數(shù)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(wèi)星所有的表現(xiàn)都很好，與預(yù)期一致，指向精度、穩(wěn)定度等幾個重要指標比設(shè)計指標高多倍?！薄拔蚩铡币呀?jīng)探測到1.3TeV的高能粒子，它已經(jīng)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(xué)家重點要尋找的，因為它們有可能就是暗物質(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。

據(jù)介紹，在地面接收數(shù)據(jù)前，“悟空”經(jīng)過了衛(wèi)星平臺測試、有效載荷管理器加電測試、科學(xué)探測器高壓加電測試等程序。為保證衛(wèi)星安全，“悟空”的高壓加電過程分兩個階段進行。在衛(wèi)星飛行至106圈次時，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，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，地面支撐系統(tǒng)中的北京密云站成功接收到衛(wèi)星首批探測到的科學(xué)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時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時顯示了“悟空”飛躍中國上空的位置，以及無數(shù)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(xué)數(shù)據(jù)并下傳至中國科學(xué)院國家空間科學(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(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個月的在軌測試和標定，之后正式交付中國科學(xué)院紫金山天文臺負責(zé)的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)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(shè)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(zhì)粒子，同時將在宇宙射線起源和γ射線天文學(xué)方面取得重大進展。首批科學(xué)成果有望在衛(wèi)星發(fā)射后6個月至1年后發(fā)布。

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

2016年，我國還將發(fā)射“硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星”（HXMT）、“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”（QUESS）、實踐－10（SJ－10）返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星，并已制定了2016-2030年中國空間科學(xué)發(fā)展規(guī)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(xué)發(fā)展的前景十分廣闊。

西游/文