暗物质粒子探测卫星发射成功

王晋岚

[本刊讯]2015年12月17日，我国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定轨道，标志着我国空间科学研究进入到全面探索阶段。12月24日，“悟空”成功获取首批科学数据并将数据传送至中科院国家空间科学中心。经过2个月的在轨测试和标定后，“悟空”将进入在轨运行阶段，开始为期2年的巡天观测和1年的定向观测。“悟空”是中国科学院空间科学先导专项首批立项研制的4颗科学实验卫星之一，并成为首发星。“悟空”是目前世界上观测能段最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

暗物质是当前基础物理研究最前沿的方向之一，其概念起始于1930年代，为了解释后发星系团（Coma Clus-ter）中边缘星系旋转速度的奇异，天文学家兹威基（F.Zwicky）引入了“暗物质”的概念。近些年的天文观测为暗物质的存在提供了强有力的证据，这些观测包括引力透镜效应测定的星系团中的物质分布，星系红移巡天对宇宙大尺度结构的观测，欧洲空间局（EuropeanSpace Agency，ESA）的普朗克卫星对微波背景辐射的精确测量等。根据2013年普朗克卫星的测量结果，当今宇宙的组分包括4.9%的普通物质，26.8%的暗物质以及68.3%的暗能量。换言之，暗物质总质量是普通物质总质量的5倍多。

关于暗物质的构成，目前有众多理论模型，主流观点是暗物质主要由一类具有某些特殊性质的粒子组成，这类粒子被称作“弱相互作用大质量粒子”（weakly interacting massive particle，WIMP）。WIMP与普通物质的作用非常微弱，所以虽然数量巨大，但从未被观测到过，除引力相互作用外，其只参与弱相互作用（或其他未知的强度不大于弱相互作用的相互作用形式）。对暗物质粒子的探测将会加深我们对物质的微观组成以及宇宙起源、演化的理解，并可能带来基础物理学的重大突破。目前世界上暗物质粒子的探测实验主要有三种：地下低温或惰性液体探测器的直接探测，如我国锦屏山地下实验的PandaX和CDMX项目；通过探测宇宙中γ射线、高能反物质粒子等的反常现象而间接实现对暗物质粒子的探测，如美国费米γ射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope，FGST），意大利PAMELA空间计划，丁肇中领导的阿尔法磁谱仪（AMS-02）等；利用大型对撞机制造、探测暗物质粒子，如欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）.

“悟空”是我国首颗暗物质粒子探测卫星，属于上述第二种探测实验。探测卫星拥有4个子探测器：塑闪阵列探测器，硅阵列探测器，BGO量能器以及中子探测器，它们联合工作可以测量高能粒子的能量、方向以及电荷，并且可以对粒子的种类进行鉴别。实验工程的总体工作由中国科学院国家空间科学中心负责；卫星系统由上海微小卫星工程中心负责研制；有效载荷由中国科学院紫金山天文台整体负责，中国科学技术大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院近代物理研究所、中国科学院国家空间科学中心等参与研制；地面支撑系统由中国科学院国家空间科学中心牵头负责，中国科学院对地观测与数字地球科学中心等单位参加；科学应用系统的研发、建设、运行由中国科学院紫金山天文台负责。其主要科学目标是：对高能电子和γ射线进行空间高分辨率、宽波段的观测，以寻找和研究暗物质粒子：对太电子伏（TeV）能量以上的高能电子及重核进行观测，研究宇宙射线物理；精确测量高能γ射线能谱，开展γ射线天文研究。