“暗(an)物(wu)質粒子探測衛星”計劃屬于(yu)中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院“空(kong)間科(ke)學戰略性先導科(ke)技(ji)專項(xiang)”,由(you)中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院紫金(jin)山天文臺暗(an)物(wu)質與空(kong)間天文研(yan)究部(bu)、中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學技(ji)術(shu)大學、中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院近代物(wu)理(li)研(yan)究所和(he)中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院高能物(wu)理(li)研(yan)究所等合作研(yan)發(fa)。
“悟空(kong)”是世界上觀(guan)測能(neng)段范圍最寬、能(neng)量分(fen)辨率最優(you)的暗(an)(an)物(wu)(wu)質粒子探(tan)測衛星,超過(guo)國(guo)際上所有同類探(tan)測器。它將(jiang)在太(tai)空(kong)中開(kai)展高(gao)能(neng)電子及高(gao)能(neng)伽馬射線探(tan)測任務(wu),探(tan)尋(xun)暗(an)(an)物(wu)(wu)質存在的證據,研究(jiu)暗(an)(an)物(wu)(wu)質特性與空(kong)間分(fen)布(bu)規律。
主要目的:去太空尋找暗(an)(an)物質(zhi)存在證據,尋找暗(an)(an)物質(zhi)粒子(zi),探尋宇宙射線起源并(bing)觀測高(gao)能伽(jia)馬射線,有望在物理學(xue)與(yu)天文學(xue)前沿帶來新的重大突破。
主要本領(ling):探測電子(zi)(zi),光子(zi)(zi)和宇宙射線(質子(zi)(zi)和重離子(zi)(zi))。
主要構(gou)成:一個(ge)塑(su)料閃爍探測器(PSD)、硅微條(tiao)(STK)、鎢板(ban)、電(dian)磁量(liang)能器(BGO)和中子探測器。
PSD用(yong)(yong)作(zuo)反符合(he),由(you)兩層塑料閃爍體條組成(cheng);STK由(you)6個徑跡雙層,每個由(you)正交(jiao)擺放的(de)(de)兩個單(dan)面硅條組成(cheng);有(you)三層厚度(du)均為1mm的(de)(de)鎢板,插在(zai)硅微條的(de)(de)第(di)2、3、4層前面,用(yong)(yong)作(zuo)光子(zi)轉(zhuan)換;BGO有(you)14層,每層22根,相鄰兩層正交(jiao)排(pai)列,用(yong)(yong)來測(ce)量射(she)線的(de)(de)能(neng)量;中子(zi)探測(ce)器(qi)加在(zai)量能(neng)器(qi)的(de)(de)底(di)部。BGO量能(neng)器(qi)和(he)STK總共大約33個輻射(she)長度(du),是空間里最(zui)深(shen)的(de)(de)量能(neng)器(qi)。
各自作用:
塑料閃爍體探測器:區分電(dian)荷。電(dian)子(zi)和(he)光(guang)子(zi)打(da)進來,是不同(tong)的(de)。
Si陣(zhen)列探測器:測量宇宙線(xian)的方向和電荷(he)。
BGO量能(neng)(neng)器(qi):最為重要,測量宇(yu)宙(zhou)線的能(neng)(neng)量。
中(zhong)子(zi)探測器:區分質子(zi)和電子(zi)。質子(zi)打進來的(de)話,在(zai)底端會產(chan)生很多(duo)中(zhong)子(zi),而高能宇宙線的(de)電子(zi)打進來,產(chan)生的(de)中(zhong)子(zi)很少。同(tong)(tong)時,不(bu)同(tong)(tong)能量(liang)產(chan)生的(de)簇射的(de)大小也不(bu)同(tong)(tong)。
DAMPE可以(yi)以(yi)前(qian)所未有的(de)靈敏度(du)和(he)(he)能量范(fan)圍(wei)探測(ce)電子(zi)(zi)(zi),光子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)(質子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)重離子(zi)(zi)(zi))。對于(yu)(yu)電子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)光子(zi)(zi)(zi),探測(ce)范(fan)圍(wei)是(shi)5GeV-10TeV,在800GeV的(de)能量分辨(bian)(bian)率為(wei)(wei)(wei)1%。對于(yu)(yu)宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian),探測(ce)范(fan)圍(wei)為(wei)(wei)(wei)100GeV-100TeV能區,在800GeV的(de)能量分辨(bian)(bian)率優(you)于(yu)(yu)40%。對于(yu)(yu)電子(zi)(zi)(zi)和(he)(he)光子(zi)(zi)(zi),幾何因子(zi)(zi)(zi)是(shi)約0.3 mSR,對于(yu)(yu)宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)大(da)約0.2 mSR。100 GeV的(de)角分辨(bian)(bian)率為(wei)(wei)(wei)0.1°。
一是暗(an)物質間接探測,也是最(zui)主要的;二是尋找宇宙射線(xian)的起源;三(san)是伽馬射線(xian)天體物理。
高(gao)能宇宙射線指的(de)(de)是來自宇宙中(zhong)具有相當(dang)大能量的(de)(de)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)粒(li)子(zi)流,1912年由德國科(ke)學家(jia)韋克(ke)多·漢斯(si)發現(xian)。他制(zhi)作了一個電(dian)(dian)(dian)離(li)室,用于測量空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)(空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)帶(dai)電(dian)(dian)(dian)粒(li)子(zi)數量)。同(tong)時期也有其他的(de)(de)科(ke)學家(jia)制(zhi)作電(dian)(dian)(dian)離(li)室,漢斯(si)的(de)(de)創新之處(chu)在于,他將電(dian)(dian)(dian)離(li)室放在熱(re)氣(qi)球上,這樣在放飛(fei)前,能測量出(chu)地面的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du),放飛(fei)后,能測量出(chu)不(bu)同(tong)海拔高(gao)度(du)(du)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)。而漢斯(si)的(de)(de)測量結果顯示:海拔越(yue)高(gao),電(dian)(dian)(dian)離(li)度(du)(du)越(yue)大。
這(zhe)說明帶電(dian)粒(li)子并不是(shi)地(di)球產生(sheng)的,否則不會越遠離地(di)面,電(dian)離度越高。也(ye)就(jiu)是(shi)說,宇宙空間會產生(sheng)帶電(dian)粒(li)子,再打到地(di)球上。
宇(yu)(yu)宙線(xian)產生后,在(zai)銀河系傳播的(de)(de)(de)過程中(zhong),有一定的(de)(de)(de)幾率(lv)逃脫銀河系,跑到宇(yu)(yu)宙空間去,這樣宇(yu)(yu)宙線(xian)的(de)(de)(de)能(neng)量就會越來(lai)越低。但(dan)實(shi)際上宇(yu)(yu)宙線(xian)的(de)(de)(de)能(neng)量是比較穩定的(de)(de)(de)。這是因(yin)為宇(yu)(yu)宙線(xian)有源(yuan)頭,宇(yu)(yu)宙線(xian)的(de)(de)(de)源(yuan)頭一般認為是超(chao)新星(xing)的(de)(de)(de)爆發。當超(chao)新星(xing)爆炸(zha)的(de)(de)(de)時候,會將自身的(de)(de)(de)高(gao)能(neng)量粒子,例如(ru)氫核、氦核,以非常高(gao)的(de)(de)(de)速(su)度拋射(she)到星(xing)系空間中(zhong)。
測(ce)(ce)量高能(neng)(neng)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)射線(xian)有可(ke)能(neng)(neng)發現暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi),這是(shi)(shi)因(yin)為宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)的(de)(de)源頭(tou)一(yi)般(ban)認為是(shi)(shi)超(chao)新星爆發,而(er)如果暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)存(cun)在(zai)的(de)(de)話,暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)湮滅(mie)的(de)(de)時候(hou)產生的(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian),就(jiu)成為了宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)的(de)(de)額外來源,這時候(hou)探(tan)測(ce)(ce)到(dao)的(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)會不同(tong)于(yu)標準模型,多(duo)出來的(de)(de)一(yi)部(bu)分可(ke)能(neng)(neng)來源于(yu)暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)湮滅(mie)或者衰變,對這多(duo)出的(de)(de)一(yi)部(bu)分進行探(tan)測(ce)(ce),就(jiu)是(shi)(shi)暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)的(de)(de)間接探(tan)測(ce)(ce)。由(you)諾(nuo)貝爾物(wu)(wu)理學獎獲得者丁(ding)肇中(zhong)主持的(de)(de)AMS項目中(zhong)的(de)(de)暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)粒(li)子探(tan)測(ce)(ce)衛(wei)(wei)星AMS-2,就(jiu)是(shi)(shi)應(ying)用(yong)的(de)(de)這一(yi)原理。我國的(de)(de)暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)粒(li)子探(tan)測(ce)(ce)衛(wei)(wei)星也(ye)是(shi)(shi)一(yi)個宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)探(tan)測(ce)(ce)器,就(jiu)是(shi)(shi)應(ying)用(yong)這類機制來探(tan)測(ce)(ce)暗(an)(an)物(wu)(wu)質(zhi)。
空間探測(ce)宇宙線(xian)主要測(ce)量(liang)宇宙線(xian)粒(li)子(zi)的(de)電(dian)荷、能量(liang)和入射方向,其中測(ce)量(liang)電(dian)荷包括電(dian)荷的(de)大小與正(zheng)負(fu)。電(dian)荷正(zheng)負(fu)的(de)測(ce)量(liang)是最困難(nan)的(de),必須借(jie)助于磁場才能實現(xian)。磁譜(pu)(pu)儀(yi)可(ke)以測(ce)量(liang)宇宙線(xian)在其磁場中的(de)偏轉(zhuan),進(jin)而判(pan)定入射宇宙線(xian)的(de)電(dian)荷。磁譜(pu)(pu)儀(yi)造價昂(ang)貴,現(xian)在仍在空間運行(xing)的(de)探測(ce)器(qi)只有(you)AMS-02。Fermi-LAT、CALET和DAMPE這3個探測(ce)器(qi)都(dou)利用量(liang)能器(qi)來測(ce)量(liang)宇宙線(xian)的(de)能量(liang),而不測(ce)量(liang)電(dian)荷的(de)正(zheng)負(fu)。
DAMPE即“悟(wu)空(kong)(kong)”是(shi)中國第1個空(kong)(kong)間(jian)高(gao)能粒子(zi)探(tan)測(ce)器(qi),經過全(quan)球(qiu)征名(ming)活動,最(zui)終命(ming)名(ming)為“悟(wu)空(kong)(kong)”,寓意(yi)用(yong)《西游記》中火眼金(jin)睛的(de)(de)(de)(de)“悟(wu)空(kong)(kong)”尋找難以察覺的(de)(de)(de)(de)暗物質存在的(de)(de)(de)(de)證據。“悟(wu)空(kong)(kong)”已于2015年12月17日發(fa)(fa)射升空(kong)(kong),是(shi)世界上迄今為止觀測(ce)能段(duan)范圍最(zui)寬、能量(liang)(liang)分辨(bian)率最(zui)優的(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)探(tan)測(ce)器(qi),其觀測(ce)能段(duan)是(shi)國際空(kong)(kong)間(jian)站阿爾法磁譜儀的(de)(de)(de)(de)10倍(bei),能量(liang)(liang)分辨(bian)比國際同(tong)類探(tan)測(ce)器(qi)高(gao)3倍(bei)以上。在軌運行(xing)狀(zhuang)態穩定,數據源源不斷地獲取了大量(liang)(liang)數據。DAMPE是(shi)以中國為主,瑞士和意(yi)大利(li)參與共同(tong)研發(fa)(fa)完成的(de)(de)(de)(de)。DAMPE主要探(tan)測(ce)電(dian)子(zi)宇(yu)宙(zhou)(zhou)射線、高(gao)能伽瑪射線和高(gao)達(da)PeV的(de)(de)(de)(de)核素宇(yu)宙(zhou)(zhou)射線。它具有能量(liang)(liang)分辨(bian)率高(gao),測(ce)量(liang)(liang)能量(liang)(liang)范圍大和本底(di)抑制能力強三大優點。
DAMPE的性(xing)能優(you)勢(shi)和它的結構設(she)計緊密(mi)相關。暗(an)物質粒子探(tan)(tan)測(ce)衛星(xing)的探(tan)(tan)測(ce)器(qi)由(you)4部(bu)分(fen)組成,分(fen)別是:塑閃陣(zhen)列探(tan)(tan)測(ce)器(qi)、硅陣(zhen)列探(tan)(tan)測(ce)器(qi)、BGO量能器(qi)以及中子探(tan)(tan)測(ce)器(qi)。
塑(su)閃陣(zhen)列探(tan)測器(qi)的主要功能是測量(liang)入射(she)(she)宇宙線的電(dian)(dian)荷(he)以區分不同核素,也有(you)可區分高能電(dian)(dian)子和(he)伽(jia)瑪(ma)射(she)(she)線。高能帶(dai)電(dian)(dian)粒子在穿過塑(su)料(liao)閃爍體時(shi),通過電(dian)(dian)離(li)和(he)發(fa)射(she)(she)輻(fu)射(she)(she)(光(guang)子)的方式損(sun)失能量(liang)。沉積的能量(liang)轉(zhuan)化為(wei)熒(ying)光(guang),被兩端的光(guang)電(dian)(dian)倍增(zeng)管(guan)轉(zhuan)化為(wei)電(dian)(dian)信號(hao),經倍增(zeng)電(dian)(dian)極放大后讀出(chu)。塑(su)閃陣(zhen)列探(tan)測器(qi)主要由蘭州近代物(wu)理研究所負責(ze)研制。
硅(gui)陣列(lie)探測(ce)(ce)器(qi)的(de)主要功(gong)能(neng)是(shi)測(ce)(ce)量入射宇宙線粒(li)(li)子的(de)方向和(he)(he)電(dian)(dian)荷。硅(gui)陣列(lie)探測(ce)(ce)器(qi)由6大(da)層硅(gui)微條探測(ce)(ce)器(qi)上下(xia)層疊排布而成。同(tong)時(shi)在(zai)第1/2、2/3和(he)(he)3/4層之間各有(you)(you)一塊鎢板(ban)。高(gao)能(neng)光子在(zai)穿(chuan)過鎢板(ban)時(shi)以較高(gao)的(de)概率轉化(hua)為(wei)正負(fu)電(dian)(dian)子對(dui)。所(suo)以光子和(he)(he)電(dian)(dian)子在(zai)量能(neng)器(qi)中的(de)信號(hao)是(shi)一致(zhi)的(de)。如果在(zai)第一層沒有(you)(you)記錄(lu)到帶電(dian)(dian)粒(li)(li)子的(de)信號(hao),但在(zai)下(xia)面(mian)幾層記錄(lu)到信號(hao),則入射粒(li)(li)子為(wei)伽瑪(ma)射線。硅(gui)陣列(lie)探測(ce)(ce)器(qi)是(shi)由中國(guo)科學(xue)院高(gao)能(neng)物理(li)研究(jiu)所(suo)、日內(nei)瓦大(da)學(xue)、佩魯賈大(da)學(xue)等單(dan)位共(gong)同(tong)研制的(de)。
BGO量(liang)能(neng)器是(shi)(shi)探(tan)(tan)測(ce)器最核心的(de)(de)組(zu)成(cheng)(cheng)部分,其功能(neng)是(shi)(shi)測(ce)量(liang)宇宙線(xian)粒子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)能(neng)量(liang),并可區分宇宙線(xian)中(zhong)電子(zi)(zi)(zi)與質子(zi)(zi)(zi)。BGO晶體(ti)(ti)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)無色(se)透明的(de)(de)沒有(you)激活劑的(de)(de)純(chun)無機閃(shan)爍體(ti)(ti),是(shi)(shi)核物理實驗(yan)中(zhong)常(chang)用(yong)的(de)(de)一(yi)種(zhong)閃(shan)爍體(ti)(ti)材(cai)料(liao)。暗物質粒子(zi)(zi)(zi)探(tan)(tan)測(ce)衛星所(suo)使(shi)用(yong)的(de)(de)BGO晶體(ti)(ti)是(shi)(shi)由上海硅酸鹽研(yan)究所(suo)專門設計(ji)開發的(de)(de)。BGO量(liang)能(neng)器的(de)(de)數據讀出系統有(you)高達8萬(wan)路的(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)學(xue)信(xin)號(hao)通道(也(ye)就是(shi)(shi)整個探(tan)(tan)測(ce)器有(you)8萬(wan)路電子(zi)(zi)(zi)信(xin)號(hao)輸出;而且這(zhe)(zhe)8萬(wan)條(tiao)電子(zi)(zi)(zi)學(xue)信(xin)號(hao)通道要在1立方米這(zhe)(zhe)樣小的(de)(de)范圍內布局(ju)完(wan)成(cheng)(cheng),難度很(hen)大(da))。
中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)探(tan)測(ce)(ce)器測(ce)(ce)量(liang)的是(shi)(shi)宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在探(tan)測(ce)(ce)器上面(mian)3層(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)的次級(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。高能(neng)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)主要是(shi)(shi)電(dian)磁簇(cu)射,產(chan)(chan)生(sheng)的中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)數目很少,但(dan)是(shi)(shi)質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和其他核素還會發(fa)生(sheng)強子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)簇(cu)射,從而產(chan)(chan)生(sheng)大量(liang)的高能(neng)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。根據(ju)這(zhe)種(zhong)效應,可以進(jin)一步區分宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)的電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和質子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)探(tan)測(ce)(ce)器主要由中(zhong)(zhong)(zhong)國科學院紫金(jin)山天文臺負責研制。
與國際(ji)上其它暗物(wu)質探測衛星相比,有三個顯著優勢(shi)。
一(yi)是能夠(gou)測(ce)量(liang)的(de)宇(yu)宙線(xian)的(de)能量(liang)非(fei)(fei)常高,可以(yi)測(ce)量(liang)到104個GeV;二是能量(liang)分辨率高,可以(yi)達到1%左右,測(ce)得比較準;三是測(ce)量(liang)能量(liang)的(de)本(ben)底(di)比較低,也就是區分電子(zi)和質子(zi)的(de)能力非(fei)(fei)常強。
暗(an)物質粒(li)子探測(ce)(ce)(ce)(ce)衛(wei)(wei)星是中國第1顆(ke)空間天(tian)文(wen)衛(wei)(wei)星,它(ta)在暗(an)物質間接(jie)探測(ce)(ce)(ce)(ce)方面具有(you)(you)較強的(de)(de)國際競爭力(li),大大提升(sheng)了(le)我國暗(an)物質探測(ce)(ce)(ce)(ce)水(shui)平。DAMPE的(de)(de)主要科學目標有(you)(you)3個:暗(an)物質間接(jie)探測(ce)(ce)(ce)(ce)、宇宙(zhou)線(xian)物理和伽馬射(she)線(xian)天(tian)文(wen)。DAMPE已于2015年2月17日發射(she)升(sheng)空。在軌運行狀態穩定,已獲取(qu)了(le)大量(liang)數據。
DAMPE可以準確測量宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)正(zheng)負(fu)電(dian)(dian)子的(de)能(neng)譜,有(you)望完整測量“超出(chu)”的(de)截(jie)(jie)斷行(xing)為(wei)(wei)。宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)正(zheng)負(fu)電(dian)(dian)子“超出(chu)”的(de)起(qi)源有(you)暗物質和(he)天體物理過程(cheng)兩類(lei)模(mo)型(xing),所預言的(de)“超出(chu)”的(de)截(jie)(jie)斷行(xing)為(wei)(wei)有(you)顯著差異。現有(you)的(de)數據因(yin)為(wei)(wei)只(zhi)覆蓋(gai)了相對較低的(de)能(neng)段部分(fen)(fen),還(huan)無(wu)法進行(xing)有(you)效區分(fen)(fen)這兩類(lei)模(mo)型(xing)。DAMPE有(you)望準確測量“超出(chu)”截(jie)(jie)斷處的(de)能(neng)譜,區分(fen)(fen)起(qi)源模(mo)型(xing)。此外,DAMPE還(huan)將首(shou)次在空(kong)間得到1~10 TeV的(de)電(dian)(dian)子宇(yu)(yu)宙(zhou)射線(xian)的(de)能(neng)譜、發現或限制鄰近的(de)高能(neng)電(dian)(dian)子射線(xian)源。
DAMPE由于優秀(xiu)的(de)能(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)率(lv),在(zai)伽馬(ma)射線線譜的(de)搜(sou)尋上有望取得突破。因為對于線譜結(jie)構(gou),能(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)率(lv)差的(de)話信號容易(yi)淹沒在(zai)背景(jing)噪聲之(zhi)中。在(zai)高能(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)數(shu)據中卻會(hui)表現(xian)為非常(chang)“尖”的(de)結(jie)構(gou)。因此能(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)率(lv)越(yue)高,就越(yue)有可能(neng)(neng)在(zai)數(shu)據中找到線譜結(jie)構(gou)。
DAMPE能(neng)夠測(ce)量(liang)高達100 TeV的(de)核(he)子(zi)宇(yu)宙(zhou)線。地面(mian)宇(yu)宙(zhou)線實驗(yan)測(ce)量(liang)能(neng)段偏高,且難以(yi)準(zhun)確(que)區分宇(yu)宙(zhou)線的(de)各種組分。DAMPE可以(yi)實現(xian)地面(mian)探測(ce)和空間探測(ce)在能(neng)譜上的(de)銜接,并且能(neng)夠區分宇(yu)宙(zhou)線組分。
天文觀(guan)測表明,宇宙(zhou)中(zhong)最重要的(de)成分是暗(an)(an)物質和暗(an)(an)能(neng)量,暗(an)(an)物質占宇宙(zhou)25%,暗(an)(an)能(neng)量占70%,通常所(suo)觀(guan)測到的(de)普通物質只占宇宙(zhou)質量5%。此前,常進與外國同(tong)行合作發現一(yi)些不明來歷的(de)高能(neng)電子(zi)可(ke)能(neng)是暗(an)(an)物質粒子(zi)湮滅的(de)證(zheng)據。
為了(le)進(jin)一步追尋暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)蹤跡(ji),常進(jin)的(de)科研(yan)團隊(dui)提(ti)出(chu)了(le)研(yan)制(zhi)“暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子探(tan)(tan)(tan)測(ce)衛星”計劃,得(de)到了(le)科技部和(he)中科院(yuan)的(de)支持。常進(jin)介紹,在(zai)茫茫宇宙中尋找(zhao)暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)并(bing)非易(yi)事(shi),傳統方法是采用(yong)大型探(tan)(tan)(tan)測(ce)器。如諾貝(bei)爾獎獲(huo)得(de)者丁肇(zhao)中教授研(yan)制(zhi)的(de)阿爾法磁譜儀2號(hao),探(tan)(tan)(tan)測(ce)器重(zhong)達7噸。而我國正在(zai)研(yan)制(zhi)的(de)“暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子探(tan)(tan)(tan)測(ce)衛星”,耗資少(shao),重(zhong)量輕,希望能在(zai)暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)探(tan)(tan)(tan)測(ce)領域取(qu)得(de)突(tu)破。
占宇宙95%以上的暗物質(zhi)(zhi)和暗能量由萬有引力定律證實(shi)存(cun)在(zai),卻從未被直接觀測到。暗物質(zhi)(zhi)粒子的探測是國際科學(xue)前沿競爭最為激(ji)烈(lie)的研(yan)究(jiu)領域。包(bao)括我國在(zai)內的世界各國正在(zai)籌建(jian)或實(shi)施多個暗物質(zhi)(zhi)探測實(shi)驗項目,其研(yan)究(jiu)成果可能帶來(lai)基(ji)礎(chu)科學(xue)領域的重(zhong)大突破(po)。
據介紹,“悟空(kong)”由四個有效載荷組(zu)成,分別是塑閃(shan)列陣(zhen)探(tan)(tan)測(ce)器、硅列陣(zhen)探(tan)(tan)測(ce)器、BGO能量(liang)器和中子(zi)探(tan)(tan)測(ce)器。所有探(tan)(tan)測(ce)器及(ji)電子(zi)設(she)備安裝在1個立方米的(de)空(kong)間內,技術難度超(chao)過了(le)我國所有的(de)上天高(gao)能探(tan)(tan)測(ce)設(she)備。
此次發(fa)射的暗物質衛星全部由中科院研制、生產(chan)。工程(cheng)2011年(nian)立項(xiang),造價1億美元,遠低(di)于國外同類探測器(qi)。衛星將在軌運行3年(nian)以上,首(shou)批科學成果有望(wang)在6個月至1年(nian)后發(fa)布(bu)。
用于發射的(de)長征二(er)號丁運載火箭由(you)中國航天(tian)科(ke)技集團公司所(suo)屬上海航天(tian)技術研(yan)究院抓總研(yan)制,這是長征系列運載火箭的(de)第221次飛行。
中科院國家空間(jian)科學中心主任吳季(ji)表示,暗物質(zhi)粒子(zi)探測(ce)衛星的(de)成功發射和在(zai)軌(gui)運行將有望推動我國科學家在(zai)暗物質(zhi)探測(ce)領域取(qu)得重大(da)突破,對促(cu)進我國空間(jian)科學領域的(de)創(chuang)新發展具有重大(da)意(yi)義。
除暗物質(zhi)衛(wei)星(xing)外(wai),我國(guo)科學衛(wei)星(xing)系列(lie)還將(jiang)陸續發射量子科學實(shi)驗(yan)衛(wei)星(xing)、實(shi)踐(jian)十號返回式科學試驗(yan)衛(wei)星(xing)、硬X射線調(diao)制望遠鏡衛(wei)星(xing)。
暗物(wu)質(zhi)有多火?就連熱(re)門美劇(ju)《生活大(da)爆炸》里的(de)主角“謝耳朵”都轉行研究暗物(wu)質(zhi)了。
暗物質(zhi)是怎(zen)么被發(fa)現的(de)?20世(shi)紀(ji)30年代初,美(mei)國加州理(li)工學院的(de)天體物理(li)學家(jia)茲威基第一(yi)個發(fa)現,宇宙(zhou)中可見(jian)(jian)物質(zhi)遠遠不足以(yi)把宇宙(zhou)連成一(yi)片,如(ru)果不是存在一(yi)種神秘而不可見(jian)(jian)的(de)物質(zhi),星系早就(jiu)分崩(beng)離析。
科學(xue)家把這種(zhong)看不見的(de)神秘物(wu)(wu)質稱為“暗(an)物(wu)(wu)質”。到了(le)20世紀(ji)70年(nian)代,多(duo)種(zhong)天文觀測,比如(ru)盤星(xing)系的(de)旋轉曲(qu)線、星(xing)系團(tuan)X射線觀測、引力透鏡(jing)等(deng)都顯示了(le)暗(an)物(wu)(wu)質的(de)存在(zai)。但直(zhi)到現在(zai)還沒有確定的(de)暗(an)物(wu)(wu)質信(xin)號(hao)被(bei)探(tan)測到。
暗(an)(an)物(wu)質這一概念是(shi)(shi)瑞士天文學家Fritz Zwick提(ti)出的(de)。他(ta)在研(yan)究Coma星系(xi)(xi)團的(de)時候發(fa)(fa)現根據維里定理(li)計算出的(de)星系(xi)(xi)團的(de)總(zong)質量(liang)要(yao)遠大(da)(da)于根據發(fa)(fa)光(guang)(guang)度(du)計算出來(lai)的(de)星系(xi)(xi)團質量(liang),他(ta)推(tui)測星系(xi)(xi)團中存在著(zhu)大(da)(da)量(liang)不發(fa)(fa)光(guang)(guang)的(de)物(wu)質,并稱(cheng)之(zhi)為暗(an)(an)物(wu)質。20世紀70年代,美(mei)國天文學家Vera Rubin等測量(liang)發(fa)(fa)現星系(xi)(xi)的(de)旋(xuan)轉(zhuan)曲(qu)線(也就是(shi)(shi)星系(xi)(xi)中的(de)物(wu)質繞中心(xin)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)速(su)度(du)與到中心(xin)距(ju)離的(de)關系(xi)(xi))發(fa)(fa)現大(da)(da)半徑(jing)處的(de)旋(xuan)轉(zhuan)速(su)度(du)遠大(da)(da)于發(fa)(fa)光(guang)(guang)物(wu)質給出的(de)理(li)論預期。如果引力理(li)論正確的(de)話(hua),就需要(yao)引入看不見的(de)物(wu)質來(lai)提(ti)供更大(da)(da)的(de)引力以(yi)束縛住速(su)度(du)如此大(da)(da)的(de)物(wu)質。
盡(jin)管暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)的(de)(de)確切物理性(xing)質(zhi)(zhi)(zhi)仍有(you)待進(jin)一(yi)步研(yan)究,一(yi)般認為(wei)暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)具(ju)有(you)如下性(xing)質(zhi)(zhi)(zhi):電(dian)中性(xing)、大質(zhi)(zhi)(zhi)量(比質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)重許多)、長壽命(ming)(顯著長于宇宙的(de)(de)壽命(ming)137億(yi)年)、具(ju)有(you)正常引力相互作用(yong)。暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)沒有(you)電(dian)磁相互作用(yong)和(he)強相互作用(yong),但(dan)可能具(ju)弱相互作用(yong)。已知的(de)(de)粒子(zi)中不存在滿足這些性(xing)質(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)粒子(zi),這意味著暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)的(de)(de)研(yan)究極可能帶(dai)來物理學(xue)的(de)(de)革命(ming)性(xing)突破(po)。
雖然(ran)科學家們還不知(zhi)道(dao)暗(an)物(wu)質(zhi)(zhi)究竟(jing)由什么構成,但通過觀測它如(ru)何影(ying)響普通物(wu)質(zhi)(zhi),并模擬它的引力效應,還是(shi)對它有了(le)(le)一些(xie)了(le)(le)解:
——宇宙中(zhong)95%以上是暗物質(zhi)和暗能量,暗物質(zhi)占26.8%。暗物質(zhi)不(bu)(bu)發光(guang)、不(bu)(bu)發出電磁(ci)波、不(bu)(bu)參與電磁(ci)相互作用,它無法用任何光(guang)學或(huo)電磁(ci)觀測(ce)設備直接“看”到。
——暗物質難(nan)以探測(ce),還在于它密度(du)小(xiao)、速(su)度(du)快,難(nan)以捕(bu)捉。科(ke)學家測(ce)算,暗物質粒子每(mei)秒(miao)的運動速(su)度(du)為220千米,是56式半(ban)自動步槍子彈出膛(tang)速(su)度(du)的300倍。
——暗物(wu)質(zhi)應(ying)該來(lai)自(zi)于宇(yu)宙(zhou)(zhou)大爆炸。在(zai)宇(yu)宙(zhou)(zhou)早(zao)期(qi)某一個時刻,宇(yu)宙(zhou)(zhou)溫度(du)非常高,粒(li)子能量非常強(qiang),它們劇烈碰撞,在(zai)這種(zhong)相互(hu)作用下,包括暗物(wu)質(zhi)在(zai)內的各種(zhong)各樣的物(wu)質(zhi)由此產生。
——宇(yu)(yu)宙的結構(gou)(gou)與(yu)暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)有(you)關(guan)。由于暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)和(he)它自己以(yi)及其他物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)不發生除了引力以(yi)外的作用(yong),它是促(cu)使宇(yu)(yu)宙膨脹(zhang)時在自身引力下形成(cheng)特定結構(gou)(gou)的首(shou)要(yao)物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)類型。暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)播下了宇(yu)(yu)宙絲狀結構(gou)(gou)的種子,隨后可(ke)見物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)才聚(ju)集在一(yi)些(xie)由暗物(wu)(wu)質(zhi)(zhi)(zhi)建(jian)立起來的引力點上,并最終形成(cheng)了星系。
——暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)對生(sheng)命來說是絕不(bu)可少的(de)。假(jia)如沒(mei)有(you)(you)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)的(de)引力作用,我(wo)們所在的(de)銀河(he)系將永遠無(wu)法在宇宙大爆(bao)炸(zha)后的(de)膨脹過程中坍縮形成。那樣的(de)話,現(xian)在既(ji)沒(mei)有(you)(you)太陽,也沒(mei)有(you)(you)地球,更沒(mei)有(you)(you)你(ni)我(wo)……
中科院(yuan)國家空(kong)間科學(xue)中心主任吳季說(shuo),由(you)于(yu)人類還(huan)不(bu)(bu)了解暗物(wu)質,不(bu)(bu)得已(yi)才稱它們“暗”,一(yi)旦(dan)發(fa)(fa)現(xian)(xian)了它們是什(shen)么,并且(qie)隨(sui)著研究(jiu)的深入,新(xin)發(fa)(fa)現(xian)(xian)的粒子就會有很(hen)多名字。“暗”只是階段性的名字,也充分體現(xian)(xian)了人類還(huan)不(bu)(bu)了解它。
對于(yu)找到暗(an)物(wu)質(zhi),科學家已經(jing)等(deng)待(dai)了數十(shi)年(nian)。通過一(yi)系列實驗和觀測,科學家們(men)或許距離破解暗(an)物(wu)質(zhi)這個宇(yu)宙(zhou)謎團(tuan)只有一(yi)步之遙了。
現(xian)階段主(zhu)要有3種(zhong)(zhong)暗(an)物質探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)方案:直(zhi)接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)、間接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)和(he)對(dui)撞(zhuang)機(ji)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)。直(zhi)接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)尋找(zhao)的(de)(de)(de)是(shi)暗(an)物質粒(li)子(zi)(zi)和(he)核子(zi)(zi)碰(peng)撞(zhuang)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)信(xin)號。這(zhe)類(lei)實(shi)驗因(yin)(yin)為要屏(ping)蔽大(da)(da)氣(qi)中帶電(dian)粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang),一般在(zai)(zai)地(di)下(xia)實(shi)驗室(shi)進行,其(qi)優(you)點(dian)是(shi)可以在(zai)(zai)地(di)面進行,造(zao)(zao)價(jia)較低。中國有世界上(shang)最深的(de)(de)(de)地(di)下(xia)實(shi)驗室(shi)——錦屏(ping)地(di)下(xia)實(shi)驗室(shi),因(yin)(yin)此中國在(zai)(zai)暗(an)物質直(zhi)接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)領域也取得了(le)很大(da)(da)的(de)(de)(de)成就,清華大(da)(da)學(xue)和(he)上(shang)海交通(tong)大(da)(da)學(xue)各(ge)自獨立進行暗(an)物質直(zhi)接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)實(shi)驗項目。對(dui)撞(zhuang)機(ji)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)主(zhu)要是(shi)尋找(zhao)高(gao)能粒(li)子(zi)(zi)對(dui)撞(zhuang)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)無法(fa)被探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)暗(an)物質粒(li)子(zi)(zi)引發(fa)的(de)(de)(de)能量動量不守恒過(guo)程。這(zhe)類(lei)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)都是(shi)在(zai)(zai)大(da)(da)型高(gao)能對(dui)撞(zhuang)機(ji)上(shang)進行,造(zao)(zao)價(jia)高(gao)昂(ang),技術(shu)難度大(da)(da)。間接(jie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)主(zhu)要通(tong)過(guo)研究探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)銀河系內的(de)(de)(de)暗(an)物質粒(li)子(zi)(zi)湮(yin)滅產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)普(pu)通(tong)粒(li)子(zi)(zi),信(xin)號在(zai)(zai)宇(yu)(yu)宙線能譜(pu)上(shang)變現(xian)為各(ge)種(zhong)(zhong)“超出”或(huo)者(zhe)“鼓包”。因(yin)(yin)為大(da)(da)氣(qi)對(dui)宇(yu)(yu)宙線的(de)(de)(de)屏(ping)蔽作(zuo)用,這(zhe)類(lei)實(shi)驗需要發(fa)射空(kong)間探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器在(zai)(zai)大(da)(da)氣(qi)層進行探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)。國際上(shang)正在(zai)(zai)運行的(de)(de)(de)空(kong)間科學(xue)衛(wei)星有費米大(da)(da)天區望遠(yuan)鏡(Fermi-LAT),阿爾法(fa)磁譜(pu)儀2(AMS-02)、電(dian)子(zi)(zi)對(dui)望遠(yuan)鏡(CALET)和(he)中國的(de)(de)(de)暗(an)物質粒(li)子(zi)(zi)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)衛(wei)星DAMPE。
成功發射
2015年12月17日8時12分(fen),我國在酒泉衛(wei)星發射中心(xin)用長征(zheng)二號丁(ding)運載火箭丁(ding)成功將暗物質(zhi)粒子探(tan)測衛(wei)星“悟空(kong)”發射升(sheng)空(kong),衛(wei)星順(shun)利進入預定轉移軌道。此次發射任務圓滿成功,標(biao)志(zhi)著我國空(kong)間科學研究邁出重要一步。
“悟空”肩負著去太空尋找(zhao)暗物(wu)質存在證(zheng)據的使(shi)命,它(ta)擁有“火眼(yan)金睛”,觀(guan)測能段、能量分辨率超過國際上其他同類(lei)探(tan)測器,可謂“神通廣大(da)”,有望(wang)在物(wu)理學前沿帶(dai)來重大(da)突破。
暗(an)物(wu)質(zhi)和暗(an)能量(liang)被科(ke)學家們(men)稱為“籠罩(zhao)在(zai)21世紀物(wu)理學上的兩朵烏云”。中國和世界各國已著手(shou)籌(chou)建(jian)或實施多個暗(an)物(wu)質(zhi)探測(ce)實驗項目,其(qi)研究成果(guo)可能帶來基礎科(ke)學領域(yu)的重大(da)突破。
正式命名
暗(an)(an)物質粒子(zi)探測(ce)衛星公(gong)開征名(ming)活(huo)動由人(ren)民(min)網和(he)中國(guo)科學(xue)院國(guo)家(jia)空間科學(xue)中心、中國(guo)科學(xue)院紫金(jin)山天文臺和(he)共(gong)同(tong)主辦,自2015年9月底(di)上線(xian)以(yi)來,共(gong)收到(dao)有效名(ming)稱方案32517個。在數據(ju)統計的基礎上,經過(guo)專(zhuan)家(jia)評委投票,由中科院批準,將暗(an)(an)物質粒子(zi)探測(ce)衛星正(zheng)式命名(ming)為“悟空”。
將暗物質粒子(zi)探測(ce)衛星命(ming)名為“悟(wu)空”,符(fu)合將科學衛星以神話形(xing)象命(ming)名的(de)(de)做(zuo)(zuo)法,如美國的(de)(de)阿波羅、歐洲的(de)(de)尤利西斯、中國的(de)(de)玉(yu)兔等。這(zhe)樣做(zuo)(zuo)可以借助傳統文化,提(ti)升我國公眾科學素養,吸引青(qing)少年熱(re)愛(ai)科學、探索未知(zhi)。
“悟(wu)(wu)(wu)空(kong)”是中國(guo)古典名(ming)著《西游記》中齊天大(da)圣的(de)名(ming)字,“悟(wu)(wu)(wu)”有(you)領悟(wu)(wu)(wu)的(de)意思,“悟(wu)(wu)(wu)空(kong)”有(you)領悟(wu)(wu)(wu)、探索太空(kong)之意;另(ling)一方(fang)面,“悟(wu)(wu)(wu)空(kong)”的(de)火眼(yan)金睛,猶如暗物質(zhi)粒(li)子(zi)探測衛星的(de)探測器,可以在茫(mang)茫(mang)太空(kong)中,識別暗物質(zhi)的(de)蹤影。
成立科學組
2015年(nian)10月29日(ri)至(zhi)31日(ri),由中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)紫金山天文(wen)臺(tai)主辦的第四(si)屆暗物質探測(ce)衛(wei)星(DAMPE)研(yan)(yan)討會(hui)在南京召開。來自DAMPE主要(yao)研(yan)(yan)制單位(wei)中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)紫金山天文(wen)臺(tai)、高能物理(li)研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)、近代物理(li)研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)、國(guo)家(jia)空間科(ke)學(xue)中(zhong)(zhong)心和中(zhong)(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)技(ji)術大學(xue)以(yi)及國(guo)際合作單位(wei)瑞士日(ri)內瓦大學(xue)、意大利國(guo)家(jia)核(he)物理(li)研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)、佩(pei)魯(lu)賈(jia)大學(xue)、巴(ba)里大學(xue)、薩倫(lun)托(tuo)大學(xue)以(yi)及美國(guo)麻省理(li)工學(xue)院(yuan)等單位(wei)50余位(wei)專家(jia)學(xue)者參加了此次會(hui)議。
研(yan)討會(hui)期間,常進正(zheng)式宣布暗物質粒(li)子探(tan)測衛星科(ke)學(xue)合作(zuo)組(zu)(zu)成立。科(ke)學(xue)合作(zuo)組(zu)(zu)在DAMPE科(ke)學(xue)應(ying)用系統(tong)組(zu)(zu)織下,負責DAMPE探(tan)測器運(yun)行及實(shi)驗數據(ju)的刻度、重建、物理(li)分析(xi)。合作(zuo)組(zu)(zu)推舉了(le)組(zu)(zu)織委員會(hui)(IB)和執(zhi)行委員會(hui)(EB),下設(she)運(yun)行組(zu)(zu)、軟件組(zu)(zu)、技術組(zu)(zu)、物理(li)分析(xi)組(zu)(zu)和科(ke)學(xue)顧(gu)問組(zu)(zu)。會(hui)議最后,科(ke)學(xue)應(ying)用系統(tong)還對DAMPESW軟件的研(yan)發狀態和分工(gong)進行討論及確定,為衛星成功發射(she)后的數據(ju)處理(li)及分析(xi)、科(ke)學(xue)目標的實(shi)施奠定了(le)基礎。
完成束流實驗
中國科學院空(kong)間(jian)戰(zhan)略(lve)先(xian)導專項“暗(an)物質粒(li)(li)子探測衛星(xing)”有效載荷——DAMPE粒(li)(li)子探測譜儀(yi)(yi)初樣鑒定(ding)件(jian)在(zai)歐洲(zhou)核子研究中心(CERN)進行(xing)(xing)了為期20天的束流測試和標(biao)(biao)定(ding)實(shi)驗(yan)。實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)了DAMPE譜儀(yi)(yi)的能(neng)量響應線(xian)性、能(neng)量分辨(bian)等關鍵指(zhi)標(biao)(biao),取得(de)圓滿成功(gong)(gong)(gong)。此(ci)次DAMPE譜儀(yi)(yi)鑒定(ding)件(jian)在(zai)CERN的束流實(shi)驗(yan),是整個暗(an)物質粒(li)(li)子探測衛星(xing)研制中必不可(ke)(ke)(ke)缺(que)少的一環,其成功(gong)(gong)(gong)完(wan)成,驗(yan)證(zheng)了DAMPE譜儀(yi)(yi)的軟、硬(ying)件(jian)功(gong)(gong)(gong)能(neng)完(wan)備(bei)正確、系統工作可(ke)(ke)(ke)靠、科學探測數據(ju)(ju)可(ke)(ke)(ke)信、性能(neng)達標(biao)(biao);并(bing)為正樣飛行(xing)(xing)件(jian)在(zai)軌運行(xing)(xing)物理數據(ju)(ju)的分析提(ti)供了依據(ju)(ju),保(bao)證(zheng)了未來科學成果的可(ke)(ke)(ke)信度(du)。
完成測試在軌(gui)交付(fu)
2016年(nian)3月17日,我國(guo)空(kong)間(jian)科學系列首發星(xing)暗物(wu)質粒子探測(ce)衛星(xing)“悟空(kong)”圓(yuan)滿(man)完成三個月的(de)在(zai)軌測(ce)試任務,順利交付(fu)用戶單(dan)位。
經(jing)過三個月(yue)的(de)在軌測(ce)試,衛(wei)星的(de)四(si)大科學載(zai)荷——塑閃陣(zhen)列探(tan)測(ce)器(qi)、硅陣(zhen)列探(tan)測(ce)器(qi)、BGO量能器(qi)和(he)中子探(tan)測(ce)器(qi)功能性能穩定,上(shang)注(zhu)至衛(wei)星的(de)全部指令(ling)均正確執(zhi)行,星地鏈路通暢,完(wan)成了所(suo)有既定的(de)測(ce)試項目,衛(wei)星各項技(ji)術指標達到或(huo)超過了預期。
國外現狀
直接探測(ce)(ce)測(ce)(ce)量的(de)是暗物(wu)質粒子(zi)(zi)和原(yuan)子(zi)(zi)核(he)碰撞(zhuang)后原(yuan)子(zi)(zi)核(he)的(de)反沖(chong)信(xin)(xin)號。核(he)反沖(chong)信(xin)(xin)號一般通過測(ce)(ce)量聲子(zi)(zi)、光(guang)和電(dian)荷這三(san)類信(xin)(xin)號獲得。國(guo)際(ji)上已經開展的(de)實驗有很多,如Xenon,CoGeNT ,CDMS ,DAMA等(deng)。
中國(guo)科學院遙感與數(shu)字地(di)球所所屬的(de)中國(guo)遙感衛(wei)星地(di)面站喀什站已于12月20日8時45分(fen)成功(gong)跟(gen)蹤、接收到(dao)我國(guo)首顆(ke)暗(an)物質粒子探測衛(wei)星“悟空(kong)”的(de)首軌X頻段下行數(shu)據,到(dao)8時52分(fen)完成任務數(shu)據的(de)接收、記錄,并傳(chuan)輸至中國(guo)科學院國(guo)家(jia)空(kong)間科學中心。這(zhe)一成功(gong)接收,標(biao)志著“悟空(kong)”和地(di)面站星地(di)之(zhi)間的(de)數(shu)據傳(chuan)輸鏈路正式開通。
2015年12月24日17時55分(fen),我(wo)國(guo)科學(xue)衛(wei)星(xing)系(xi)列首發星(xing)——暗物質(zhi)粒子探測(ce)衛(wei)星(xing)“悟空(kong)”升空(kong)后第7天,經(jing)衛(wei)星(xing)平臺(tai)測(ce)試、有效載荷管理器加電測(ce)試、科學(xue)探測(ce)器高壓(ya)加電測(ce)試后,第一批科學(xue)數據成功下傳(chuan)至(zhi)中科院國(guo)家空(kong)間科學(xue)中心空(kong)間科學(xue)任務(wu)大廳(ting)。
接收(shou)到的數(shu)據顯(xian)示,暗(an)物質衛(wei)星(xing)的四大科學載(zai)荷:塑閃陣列(lie)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器、硅陣列(lie)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器、BGO量能器、中子(zi)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)到的高能電子(zi)和伽(jia)馬射(she)線(xian)計(ji)數(shu)與地面預測(ce)(ce)(ce)計(ji)數(shu)率一致,表明暗(an)物質衛(wei)星(xing)的有(you)效載(zai)荷已開始(shi)正常工作(zuo)。
2016年(nian)3月(yue)(yue)17日,我(wo)國空間科學系列首發星暗物(wu)質(zhi)粒子探測(ce)衛星“悟(wu)空”圓滿完(wan)(wan)成(cheng)三個(ge)月(yue)(yue)的(de)在軌(gui)測(ce)試任務,順利交付用戶單位。暗物(wu)質(zhi)衛星自2015年(nian)12月(yue)(yue)20日接收(shou)到第(di)一幀(zhen)數(shu)(shu)(shu)傳數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)以(yi)來,衛星地面(mian)支撐系統累(lei)計(ji)接收(shou)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)494軌(gui),累(lei)計(ji)接收(shou)原始(shi)數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)文件約2.4TB,生成(cheng)科學數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)產品41類,總計(ji)110606個(ge),數(shu)(shu)(shu)據(ju)(ju)產品總量(liang)約5.5TB。截至(zhi)2016年(nian)3月(yue)(yue)17日,暗物(wu)質(zhi)衛星在軌(gui)飛行92天,共探測(ce)到4.6億個(ge)高能粒子,完(wan)(wan)成(cheng)了三分之二天區(qu)的(de)掃描。
2021年(nian)9月7日,國家空間(jian)科(ke)學數(shu)據(ju)中心與中國科(ke)學院(yuan)紫金山天文臺聯合(he)公開發布“悟空”號暗物質粒子探測衛星(xing)首(shou)批伽馬光子科(ke)學數(shu)據(ju)。
超大(da)(da)質量黑(hei)洞(dong)是宇(yu)宙(zhou)中廣(guang)泛存在(zai)(zai)(zai)的(de)一類天體,它(ta)們的(de)質量是太陽的(de)幾(ji)十萬至數百億倍,幾(ji)乎在(zai)(zai)(zai)每個大(da)(da)星(xing)系、包括人類身處的(de)銀河(he)系中心,都(dou)存在(zai)(zai)(zai)至少一個這樣的(de)黑(hei)洞(dong)。有些巨型黑(hei)洞(dong)在(zai)(zai)(zai)宇(yu)宙(zhou)極早期就已(yi)經(jing)存在(zai)(zai)(zai),它(ta)們如何形(xing)成、演變(bian)、反作用于星(xing)系,至今仍是未(wei)解之謎。但人類研究這些碩(shuo)大(da)(da)的(de)“宇(yu)宙(zhou)妖怪”并(bing)非毫無辦法。
科(ke)學家已經發現,有(you)一部(bu)分(fen)超大(da)質(zhi)(zhi)量黑洞并(bing)(bing)非一直悄無(wu)聲(sheng)息(xi),而會肆無(wu)忌憚地“大(da)吃大(da)喝(he)”:它們吞噬的(de)(de)物質(zhi)(zhi)聚集形成吸積盤、并(bing)(bing)且產生強有(you)力(li)的(de)(de)噴流,使黑洞表現得異(yi)常明亮。這一類(lei)天(tian)體也被稱作活動星(xing)系核(he),它們正是人類(lei)解(jie)開黑洞之謎的(de)(de)鑰匙。
CTA 102就是一個著名的活動星(xing)系核。它于1963年(nian)被首次(ci)(ci)發現,其(qi)黑洞質量約(yue)為太陽(yang)的8.5億倍,與太陽(yang)系距離約(yue)為80億光年(nian)。科學記錄顯示(shi),CTA 102上(shang)一次(ci)(ci)比較劇烈的活動發生(sheng)在2012年(nian)。
我國于(yu)2015年底(di)發射的(de)(de)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子(zi)探測(ce)(ce)衛(wei)星“悟(wu)(wu)空”,主要目標就是通過空間(jian)觀(guan)測(ce)(ce)宇宙射線(xian)和伽馬射線(xian),來(lai)探索宇宙暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)和類似(si)黑洞這樣的(de)(de)宇宙“妖怪”。紫金山天文臺暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)衛(wei)星團隊(dui)介紹,自(zi)2016年10月(yue)以來(lai),“悟(wu)(wu)空”頻(pin)繁捕(bu)捉(zhuo)到來(lai)自(zi)CTA 102的(de)(de)伽馬射線(xian)輻射。特(te)別是11月(yue)23日以后,“悟(wu)(wu)空”記錄到明顯增強的(de)(de)伽馬射線(xian)爆(bao)發現(xian)象,這一爆(bao)發在12月(yue)16日達到峰值。記錄到的(de)(de)最高光子(zi)能(neng)量約620億電子(zi)伏特(te),相當于(yu)靜止質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)等效能(neng)量的(de)(de)66倍(bei)。
這(zhe)一(yi)觀(guan)測(ce)結果也(ye)得到其他設備(bei)的印證。紫金山天(tian)文臺1米(mi)近地天(tian)體巡天(tian)望(wang)遠鏡也(ye)觀(guan)測(ce)到CTA 102的此輪爆(bao)發(fa)。根據望(wang)遠鏡記錄,2016年(nian)6月18日(ri)至12月20日(ri)之間,CTA 102亮(liang)度持續增強。
2016年12月29日,中(zhong)科院紫金山天(tian)文臺通報,暗物(wu)質(zhi)粒子探(tan)測(ce)衛星“悟空(kong)”近兩個月內頻(pin)繁記錄到(dao)來(lai)自(zi)超大質(zhi)量黑(hei)洞CTA 102的(de)伽馬射線爆發(fa)(fa)。這(zhe)是暗物(wu)質(zhi)衛星科研團隊(dui)自(zi)衛星上天(tian)后首次發(fa)(fa)布觀測(ce)成果。“悟空(kong)”觀測(ce)到(dao)的(de)現象表明,黑(hei)洞CTA 102正(zheng)經歷新一輪(lun)活躍(yue)期。
“CTA 102是‘“悟(wu)空(kong)”’捕獲的(de)(de)第一個‘小妖’,我們將持續監測(ce)它的(de)(de)活動(dong)。相(xiang)信借助‘“悟(wu)空(kong)”’的(de)(de)火眼金睛,未來還(huan)能‘抓(zhua)獲’更多的(de)(de)‘宇宙妖怪(guai)’,為人類(lei)認識宇宙萬象提供有力的(de)(de)幫(bang)助。”暗(an)物質衛星(xing)項(xiang)目團隊成員徐遵磊說(shuo)。
2017年11月30日,國際權(quan)威學術期刊《自然》在(zai)線發(fa)表(biao),暗物質粒子探測衛星“悟空(kong)”有(you)充分(fen)數據證實(shi),在(zai)太空(kong)中(zhong)測量到(dao)了電子宇宙射(she)線的一處異(yi)常波動(dong)。這一波動(dong)此前從未被觀(guan)測到(dao),意(yi)味著中(zhong)國科學家取得一項開創性發(fa)現,且(qie)有(you)可能與暗物質相關。
2021年5月19日,中國暗物質(zhi)衛(wei)星(xing)項目團隊公布科學成果。基于四年半的(de)在軌(gui)觀(guan)測(ce)數據(ju),“悟(wu)空”繪出(chu)迄今最(zui)精(jing)確的(de)高能(neng)(neng)氦(hai)原子核宇(yu)宙射線能(neng)(neng)譜,并觀(guan)察到能(neng)(neng)譜新結構(gou)。這(zhe)一發現可能(neng)(neng)預示存在一處(chu)未(wei)知的(de)宇(yu)宙射線源(yuan)。
2021年5月(yue)19日(ri),中科院紫金山天文(wen)臺發(fa)布“悟空”號最新研(yan)究成果(guo)(guo):獲得氦(hai)核宇(yu)宙線(xian)70 GeV至80 TeV能段的精確能譜(pu)測量結(jie)果(guo)(guo)并(bing)發(fa)現能譜(pu)新結(jie)構。這是國際上利用(yong)空間實驗實現對10 TeV以上能段氦(hai)核宇(yu)宙線(xian)能譜(pu)的首次精確測量。“悟空”號的結(jie)果(guo)(guo)對揭示高能宇(yu)宙線(xian)的起源(yuan)以及加速機制具(ju)有(you)十(shi)分重要的意義。
2021年9月(yue)(yue)7日(ri),國家空間(jian)科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju)中心與中國科(ke)學(xue)(xue)院紫(zi)金山(shan)天文(wen)(wen)臺(tai)聯合公開發布“悟(wu)空”號暗物質粒(li)子探測衛星(xing)首(shou)批伽馬光子科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju)。此(ci)次(ci)公開發布2016年1月(yue)(yue)1日(ri)-2018年12月(yue)(yue)31日(ri)的伽馬光子科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju)(共(gong)計99864個事例),以及與其相(xiang)關的衛星(xing)狀態文(wen)(wen)件(共(gong)計1096條記錄)。相(xiang)關科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju)可(ke)通過國家空間(jian)科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju)中心或中國科(ke)學(xue)(xue)院紫(zi)金山(shan)天文(wen)(wen)臺(tai)獲取。后續,研(yan)究單位將持續發布伽馬光子科(ke)學(xue)(xue)數(shu)(shu)據(ju),開展(zhan)數(shu)(shu)據(ju)分析與應用技術(shu)及工具的研(yan)發,為公眾提供更(geng)多樣、更(geng)精(jing)細、更(geng)透(tou)明的數(shu)(shu)據(ju)共(gong)享與應用服務。
2017年12月底,“悟空(kong)”號衛(wei)星出現(xian)的(de)(de)一(yi)場意外狀況(kuang),導致其接(jie)收到的(de)(de)數(shu)據量突然銳減;經過30名(ming)隊友19個小(xiao)時的(de)(de)緊張忙碌(liu),“悟空(kong)”號恢復(fu)正常。
2015年(nian)12月17日升空工作,原計劃(hua)在天運行(xing)3年(nian),但(dan)““悟空”將(jiang)延期(qi)服役至2020年(nian)。2019年(nian)10月,暗物質(zhi)衛星首席科學(xue)家常進(jin)說,衛星在軌運行(xing)近4年(nian)來,各有效載荷運行(xing)良好,已總(zong)計獲取約70億個粒子(zi)的信息,關鍵(jian)科學(xue)工作正在持續推進(jin)。從研究成果來看,與(yu)國際同類(lei)探測(ce)器比較,“悟空”繪(hui)出(chu)的質(zhi)子(zi)宇宙線能(neng)(neng)譜,在1-100 TeV能(neng)(neng)段精度最高(gao),其能(neng)(neng)量上限,比著(zhu)名物理學(xue)家丁肇(zhao)中(zhong)領導的阿爾法磁(ci)譜儀實驗高(gao)出(chu)約50倍,比日本學(xue)者領銜的量能(neng)(neng)器電子(zi)望遠鏡實驗高(gao)出(chu)10倍。
““悟(wu)空”將延期服役至2020年,同時我們也已(yi)經(jing)在為下一(yi)代空間高(gao)能(neng)(neng)伽馬和(he)粒子(zi)探(tan)測(ce)實驗做準備。”范(fan)一(yi)中(zhong)透露,團(tuan)隊已(yi)經(jing)在開(kai)展關(guan)鍵技術預研,新(xin)的探(tan)測(ce)器將改進(jin)設(she)計(ji),強化低(di)能(neng)(neng)粒子(zi)篩選能(neng)(neng)力(li)和(he)伽馬射(she)線探(tan)測(ce)能(neng)(neng)力(li)等,預計(ji)總探(tan)測(ce)效能(neng)(neng)達到(dao)10倍以上。
“悟(wu)空”號的設計壽命為3年,探(tan)測器及(ji)衛星平臺運(yun)行(xing)狀態良好,已于(yu)2019年1月正式進(jin)行(xing)首(shou)次(ci)延(yan)壽運(yun)行(xing),為期2年。基于(yu)“悟(wu)空”號優異的工作狀態,有望再次(ci)延(yan)壽運(yun)行(xing)。
2020年12月17日,暗物質粒(li)子(zi)探測(ce)衛(wei)星“悟空”科研團隊(dui)宣布,鑒于(yu)衛(wei)星運行情況(kuang)良好(hao),項目團隊(dui)已與各保障(zhang)部門(men)商定,再(zai)次將(jiang)其“服(fu)役期”延長1年。