观测能段范围最宽 能量分辨率最优中国首颗天文卫星——“悟空”暗物质粒子探测卫星升空



观测能段范围最宽 能量分辨率最优中国首颗天文卫星——“悟空”暗物质粒子探测卫星升空

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

2015年12月17日，我国在酒泉卫星发射中心用长征－2D运载火箭发射自行研制的首颗天文卫星——“悟空”暗物质粒子探测卫星[原名“暗物质粒子探测”（DAMPE）卫星]，从而拉开了我国空间天文学发展的序幕。

在人类的太空探索中，天文卫星的问世使天文学产生了第三次飞跃，因为它改变了以往坐地观天的传统，摆脱了气层的封锁，可以在全波段范围内对宇宙空间进行详细的观测。自从1960年世界第一颗天文卫星上天以来，可见光天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星、红外天文卫星和紫外天文卫星等各类天文卫星层出不穷，其观测成果极大地促进了天文学的发展。为此，美国、欧洲航天局、日本、俄罗斯等国家和组织正在不断研制和发射多种新型天文卫星，并获得巨大科研成果。印度也于2015年9月28日发射了其首颗天文卫星——“天文学卫星”（AstroSat）。经过多年努力，我国于2011年启动了“空间科学先导专项”，将陆续发射多颗各类天文卫星，从而逐渐改变我国只是天文知识的使用国，而非产出国的局面，以获得重大原创性天文学成果，并使得我国有能力为人类的太空探索、技术进步及社会发展做出持续性的贡献。

1 探测暗物质的三种方法

暗物质被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”，它由万有引力定律证实存在，却从未被直接观测到。暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。科学家估算，宇宙中包含5%的普通物质，它们组成了包括地球在内的星系、恒星、行星等发光和反光物质，其余95%是看不见的暗物质和暗能量。暗物质无法被直接观测到，本身不和已知的任何明物质发生关系，唯一发生关系的就是引力的变化，能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。

暗物质是由万有引力效应明确证实其存在，但却无法通过电磁波被直接观测到的物质，这是长久以来粒子物理和宇宙学的核心问题之一。揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大科学突破，从而推动解释宇宙为什么会是这样以及未来将怎样演化。其研究成果很可能导致粒子物理标准模型和大爆炸宇宙论的完善、更新甚至扬弃，预示着人类对物质世界认识的新的革命，直接推进人类对宇宙演化，对物质基本结构和基本相互作用的理解，也将是人类对自然界认识革命性的飞跃。所以，不少国家都在开展这一方向的研究。

探测宇宙线分为地面探测和空间探测，两者各有千秋。后者的优点是能测量低能宇宙线，并且能区分宇宙线的种类，不足之处是受技术难度和费用的限制，目前难以测量高能区的宇宙线，而前者反之，所以它们之间可以取长补短。

链接：我国已在四川雅砻江锦屏山的隧道内建造了锦屏极深地下暗物质实验室。其上方有厚达2400m的岩石层，可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面的大约亿分之一，为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。实验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，测量暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物质的地下实验室。

“悟空”暗物质粒子探测卫星在轨示意图

现在，通常用三种探测方法了解暗物质的本质：地下直接探测、地面加速器实验探测和太空间接探测。其中，地下直接探测是在地下（为了防干扰）布下“靶子”，等着暗物质粒子撞击留下蛛丝马迹,这种守株待兔的方法使暗物质存在的参数空间受到一定的限制；地面加速器实验探测是在加速器的“粒子工厂”里将暗物质粒子“创造”出来，这种主动创造的方法目前没有明确地给出暗物质搜寻的结果；太空间接探测是到太空捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的证据，此法看到了一些暗物质粒子存在的迹象，但仍需要进一步的数据积累以及更高能量的精确测量，以确定这些信号究竟是来自于暗物质或是其他天体物理过程。这三种方法可互为补充，互相印证。“悟空”采用的是太空间接探测方法。

通过太空间接探测可以了解暗物质在整个宇宙或者特定星系中的情况，与暗物质的空间分布、作用本质联系更加紧密。其最好的探测对象是光子，因为光子不受磁场影响而偏转，可直接反映粒子产生的源的信息。暗物质卫星探测的是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子，这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。

测量宇宙线粒子能量的探测器一般有量能器和磁谱仪2种，其中量能器用于测量宇宙线在探测器中产生的簇射，但无法区分宇宙线的电荷符号。磁谱仪用于测量宇宙线在其磁场中的偏转，能够区分正反物质。我国“悟空”暗物质粒子探测卫星等天文卫星使用量能器探测暗物质；“国际空间站”上的α磁谱仪－2等使用磁谱仪探测暗物质。

2 “悟空”暗物质粒子探测卫星

“悟空”的科学目标是间接探测暗物质，研究宇宙线物理和γ射线天文。它主要探测电子宇宙射线、高能γ射线等，即通过在高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和γ射线寻找和研究暗物质粒子，在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破；通过观测能谱范围在太电子伏以上的高能电子及重核，在宇宙射线起源方面取得突破；通过观测高能γ射线，在γ天文学方面取得重要成果。

“悟空”的有效载荷结构示意图

“悟空”质量为1.9t，其中有效载荷质量为1.4t。其采用以载荷为中心的设计方案。其有效载荷包括塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、锗酸铋（BGO）量能器、中子探测器及载荷数据管理器。

塑闪阵列探测器采用国内研制的世界最大闪烁体，用于测量入射宇宙线的电荷以区分不同核素，区分高能电子和γ射线。由于攻克了“塑闪晶体温度形变适应结构的设计与实现”这一关键技术，所以探测器本底水平比国外同类探测器低许多。

硅阵列探测器是与欧洲合作研制的，达到国际领先水平，主要功能是测量入射宇宙线粒子的方向和电荷。γ射线首先在硅阵列探测器中转化为正负电子对，然后进入BGO量能器。

BGO量能器是“悟空”中最核心、质量最大的设备，尺寸为60mm×60mm×60mm，其中有数百根晶体棒横竖分层排列。其晶体跟铁比重一样，是一种被广泛用来探测高能带电粒子和γ射线的闪烁体材料，功能是测量宇宙线粒子尤其是电子和γ射线的能量。当高能宇宙线粒子打入BGO量能器后，根据那些发光的晶体来判断粒子到达的方向，因为粒子会在BGO晶体中产生级联簇射,由于宇宙线电子和质子在探测器中产生的簇射形状完全不同，所以根据宇宙线粒子产生的簇射的形状能判断入射粒子的种类。入射粒子的能量越高，产生的簇射就越大，沉积在探测器内的能量就越多。根据在探测器中的能量沉积可确定入射宇宙线的能量。

探测器做得越厚，能量分辨率就会越高，能量探测范围也就越大。现在，由于这种60mm长的BGO晶体只有中国科学院上海硅酸盐研究所能做出来，所以“悟空”是目前观测能段范围最宽，能量分辨率最优的空间探测器，超过国际上所有同类探测器。

中子探测器用于测量宇宙线粒子与中子探测器上层的物质发生相互作用产生的次级中子，进一步区分宇宙线的成分。

3 技高一筹，具有很强国际竞争力

“悟空”对高能粒子的探测方法与α磁谱仪－2不同。它虽然不能像α磁谱仪－2那样能探测粒子在磁场中的变化，区分粒子的电极性，但是测量的能量谱段是最高的，可以探测能量极高的粒子。

暗物质相互碰撞并湮灭时会产生明物质，其能量很高。如果没有暗物质，通常宇宙中高能粒子的分布是逐渐下降的。因此，如果在太空中确定对某一个方向观测，从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。要想观测到高能谱段，就必须发射天文卫星，其探测器要更大，才能看得更加清楚；而且在太空中受到的干扰最小，天文卫星飞行2～3年，能够累积很多数据，这样就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是，需要解释为什么会这样。假如探测器什么都没有看到，至少也可以证明这种关于暗物质的理论不成立。

“悟空”将进行巡天观测。经过1～2年的巡天后，如果对某一方向的粒子特别感兴趣，发现新的物理现象，会调整卫星，让它集中观测这个方向。假如存在暗物质，可以进行连续的观测。

受限于可以发射升空的磁铁的大小，α磁谱仪－2只能测量600GeV，而“悟空”的工作能段为5GeV～10TeV（是迄今为止观测能段范围最宽的)，并将首次在空间进行1～10TeV的高能电子宇宙射线的测量，所以可以观测到以前在很高能量谱段没有发现的现象。另外，它有非常高的能量分辨率（优于1.5%，是目前能量分辨率最优的，超过国际上所有同类探测器），有望在寻找γ射线线谱信号方面有所突破。还有，它不仅做到了能量谱段的高覆盖，而且由于使用的BGO量能器的晶体有60mm长，所以探测面积很大，使得其捕获稀少的高能粒子的能力很强。由于“悟空”可测量能量很高的核子宇宙线，并且能够区分各种宇宙线成分，因此将实现地面探测和空间探测在能谱上的衔接。另外，α磁谱仪－2成本高达20亿美元，“悟空”则低得多，且研制周期较短，不到4年。

“悟空”具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点，在暗物质间接探测方面具有很强的国际竞争力。例如，在γ射线观测方面，其灵敏度远高于α磁谱仪－2等探测器。其能量分辨率大大高于美国“费米”γ射线大面积空间望远镜，整体谱线探测能力比“费米”至少要高10倍以上；在宇宙射线重核探测方面，超过目前国际上所有实验。所以，它有望在暗物质探测和宇宙线物理两大前沿领域取得重大突破，并可望在γ天文方面取得重要成果，一旦取得突破，将很可能会带来物理学新的革命。

“悟空”进行力学振动试验

装在“国际空间站”桁架上的α磁谱仪-2

4 “悟空”首次获得科学探测数据

2015年12月24日，“悟空”在升空后的第7天，成功获取了首批科学数据。据“悟空”的首席科学家常进介绍，接收到的数据显示，“悟空”的塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器四大科学载荷探测到的高能电子和γ射线计数与此前地面预测计数率一致，表明“悟空”的有效载荷已开始正常工作。常进说：“目前卫星所有的表现都很好，与预期一致，指向精度、稳定度等几个重要指标比设计指标高多倍。”“悟空”已经探测到1.3TeV的高能粒子，它已经打开一个观测宇宙的新窗口。“悟空”每秒大约会接收100颗左右的高能粒子。在这其中，高能电子与γ射线是科学家重点要寻找的，因为它们有可能就是暗物质湮灭或衰变产生的，又比较容易从其他天体产生的“噪音”中区分出来。

据介绍，在地面接收数据前，“悟空”经过了卫星平台测试、有效载荷管理器加电测试、科学探测器高压加电测试等程序。为保证卫星安全，“悟空”的高压加电过程分两个阶段进行。在卫星飞行至106圈次时，科学载荷先加电压至工作档位1，即400V；卫星飞行至108圈次时，科学载荷再次加电至工作档位2，即800V。

2015年12月24日17：55，在“悟空”飞行至114圈次时，地面支撑系统中的北京密云站成功接收到卫星首批探测到的科学数据，并将数据实时传送到位于怀柔的地面支撑系统中的空间科学任务大厅。巨大的显示屏幕上实时显示了“悟空”飞跃中国上空的位置，以及无数高能粒子击中探测器后计算机生成的各种柱状、波形图像。

“悟空”成功获取首批科学数据并下传至中国科学院国家空间科学中心空间科学任务大厅

“悟空”每天在约500km高的太阳同步轨道（SSO）上绕地球飞行15圈，每当飞越中国上空，便将探测数据传向地面。在后续工作中，“悟空”的有效载荷还要经历2个月的在轨测试和标定，之后正式交付中国科学院紫金山天文台负责的科学应用系统进入在轨运行阶段，开始为期2年的巡天观测和1年的定向观测。

在3年的设计寿命中，“悟空”将通过高能量分辨、宽能谱段观测高能电子和γ射线，寻找和研究暗物质粒子，同时将在宇宙射线起源和γ射线天文学方面取得重大进展。首批科学成果有望在卫星发射后6个月至1年后发布。

未来，我国还将用装在空间站上的“高能宇宙辐射探测设施”（HERD），重点探测暗物质湮灭的γ射线谱线，它将有可能测量到暗物质湮灭的确凿无疑的信号。我国之所以在发射“暗物质粒子探测卫星”之后，还要搞“高能宇宙辐射探测设施”，主要是为了增加搜寻暗物质的手段和扩大搜寻参数空间，各实验互相补充。“暗物质粒子探测卫星”和“高能宇宙辐射探测设施”的先后实施将使我国在该领域保持领先并且做出重大科学发现。

2016年，我国还将发射“硬X射线调制望远镜卫星”（HXMT）、“量子科学实验卫星”（QUESS）、实践－10（SJ－10）返回式科学实验卫星，并已制定了2016-2030年中国空间科学发展规划建议，包括“黑洞探针”计划、“天体号脉”计划和“轻盈”计划等一系列计划。总而言之，我国空间科学发展的前景十分广阔。

西游/文