“暗物(wu)質(zhi)粒(li)子探測衛星(xing)”計劃屬于中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)“空間科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)戰略(lve)性先(xian)導科(ke)(ke)技專(zhuan)項(xiang)”,由中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)紫金山天文臺暗物(wu)質(zhi)與空間天文研(yan)究部、中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)技術大學(xue)(xue)(xue)、中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)近代物(wu)理研(yan)究所和中國(guo)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)院(yuan)高能物(wu)理研(yan)究所等(deng)合作研(yan)發。
“悟空”是世界上觀測(ce)能(neng)段(duan)范圍最寬、能(neng)量分辨率最優的暗物質(zhi)(zhi)(zhi)粒子探(tan)測(ce)衛星,超過國際上所(suo)有同類探(tan)測(ce)器。它將在太(tai)空中(zhong)開展高(gao)能(neng)電子及(ji)高(gao)能(neng)伽(jia)馬射線探(tan)測(ce)任務(wu),探(tan)尋暗物質(zhi)(zhi)(zhi)存在的證據,研究暗物質(zhi)(zhi)(zhi)特性與(yu)空間分布(bu)規律。
主要目的(de):去太空尋找(zhao)暗物(wu)質存(cun)在證據,尋找(zhao)暗物(wu)質粒子,探尋宇宙射線(xian)起源并觀測高能伽馬射線(xian),有望在物(wu)理(li)學與天(tian)文學前(qian)沿帶來新的(de)重大突破。
主要本(ben)領:探測(ce)電子(zi)(zi),光子(zi)(zi)和宇宙射線(質子(zi)(zi)和重離子(zi)(zi))。
主(zhu)要構成:一個塑料閃爍探(tan)測器(PSD)、硅(gui)微(wei)條(STK)、鎢板、電(dian)磁量(liang)能器(BGO)和中子探(tan)測器。
PSD用(yong)作反(fan)符合,由(you)兩層(ceng)(ceng)(ceng)塑料閃爍體條組(zu)(zu)成;STK由(you)6個徑跡雙層(ceng)(ceng)(ceng),每個由(you)正交擺放的(de)(de)(de)兩個單(dan)面硅(gui)條組(zu)(zu)成;有(you)(you)三層(ceng)(ceng)(ceng)厚度均(jun)為1mm的(de)(de)(de)鎢(wu)板(ban),插在(zai)硅(gui)微條的(de)(de)(de)第2、3、4層(ceng)(ceng)(ceng)前(qian)面,用(yong)作光子(zi)轉(zhuan)換;BGO有(you)(you)14層(ceng)(ceng)(ceng),每層(ceng)(ceng)(ceng)22根,相鄰兩層(ceng)(ceng)(ceng)正交排(pai)列(lie),用(yong)來測量射(she)線的(de)(de)(de)能(neng)量;中子(zi)探(tan)測器加在(zai)量能(neng)器的(de)(de)(de)底部(bu)。BGO量能(neng)器和STK總共大約33個輻射(she)長(chang)度,是空間里最(zui)深的(de)(de)(de)量能(neng)器。
各自作用:
塑料閃爍體探測器:區分電荷。電子(zi)和光子(zi)打進(jin)來(lai),是不同的。
Si陣列探測器:測量宇宙線的(de)方向和電荷。
BGO量(liang)能器:最為重要,測(ce)量(liang)宇宙(zhou)線的(de)能量(liang)。
中(zhong)子(zi)(zi)(zi)探測器:區分質子(zi)(zi)(zi)和電子(zi)(zi)(zi)。質子(zi)(zi)(zi)打(da)進來的(de)(de)話,在底(di)端會(hui)產生(sheng)(sheng)很(hen)多中(zhong)子(zi)(zi)(zi),而高能宇宙線的(de)(de)電子(zi)(zi)(zi)打(da)進來,產生(sheng)(sheng)的(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)(zi)很(hen)少。同(tong)(tong)時,不同(tong)(tong)能量產生(sheng)(sheng)的(de)(de)簇射的(de)(de)大小也不同(tong)(tong)。
DAMPE可以以前(qian)所未有的靈(ling)敏度(du)和(he)能(neng)量范圍探測電子,光(guang)子和(he)宇宙(zhou)射(she)(she)線(xian)(質子和(he)重(zhong)離子)。對于(yu)電子和(he)光(guang)子,探測范圍是5GeV-10TeV,在800GeV的能(neng)量分(fen)辨率(lv)為1%。對于(yu)宇宙(zhou)射(she)(she)線(xian),探測范圍為100GeV-100TeV能(neng)區,在800GeV的能(neng)量分(fen)辨率(lv)優于(yu)40%。對于(yu)電子和(he)光(guang)子,幾(ji)何因子是約(yue)0.3 mSR,對于(yu)宇宙(zhou)射(she)(she)線(xian)大約(yue)0.2 mSR。100 GeV的角分(fen)辨率(lv)為0.1°。
一是暗物質間接探測,也是最主要的;二是尋找(zhao)宇宙射線的起源;三(san)是伽馬射線天體(ti)物理。
高(gao)(gao)(gao)能(neng)(neng)宇(yu)宙(zhou)射線指的是來(lai)自宇(yu)宙(zhou)中(zhong)具有(you)相當大能(neng)(neng)量的帶電(dian)粒(li)子流,1912年由德國科(ke)學家(jia)韋克多·漢(han)(han)斯發現。他制作了(le)一個電(dian)離(li)室,用于測(ce)量空氣中(zhong)的電(dian)離(li)度(du)(du)(空氣中(zhong)的帶電(dian)粒(li)子數量)。同時(shi)期(qi)也有(you)其他的科(ke)學家(jia)制作電(dian)離(li)室,漢(han)(han)斯的創新(xin)之處在于,他將電(dian)離(li)室放在熱氣球上,這(zhe)樣在放飛(fei)前,能(neng)(neng)測(ce)量出地面的電(dian)離(li)度(du)(du),放飛(fei)后,能(neng)(neng)測(ce)量出不(bu)同海拔(ba)高(gao)(gao)(gao)度(du)(du)的電(dian)離(li)度(du)(du)。而漢(han)(han)斯的測(ce)量結果顯示(shi):海拔(ba)越(yue)高(gao)(gao)(gao),電(dian)離(li)度(du)(du)越(yue)大。
這說明帶電(dian)粒(li)子并不(bu)是(shi)地球產(chan)生的(de),否則(ze)不(bu)會越遠離(li)(li)地面,電(dian)離(li)(li)度(du)越高。也(ye)就(jiu)是(shi)說,宇宙空間會產(chan)生帶電(dian)粒(li)子,再(zai)打到地球上(shang)。
宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)產生后,在(zai)銀(yin)河(he)系傳(chuan)播(bo)的(de)過程(cheng)中,有一定的(de)幾率逃(tao)脫銀(yin)河(he)系,跑到(dao)宇(yu)宙(zhou)空間去,這(zhe)樣(yang)宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)的(de)能量(liang)就會(hui)越來越低。但(dan)實際上宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)的(de)能量(liang)是(shi)比較穩定的(de)。這(zhe)是(shi)因為(wei)宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)有源頭,宇(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)的(de)源頭一般認為(wei)是(shi)超新星的(de)爆發。當超新星爆炸的(de)時候,會(hui)將自身(shen)的(de)高能量(liang)粒子,例如氫核、氦核,以(yi)非(fei)常高的(de)速度(du)拋射到(dao)星系空間中。
測(ce)(ce)(ce)量高能宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)射線(xian)有(you)可能發現暗(an)(an)物質(zhi)(zhi),這(zhe)(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)線(xian)的(de)(de)(de)源(yuan)(yuan)頭一(yi)般(ban)認為(wei)是(shi)超新星(xing)(xing)爆發,而如果暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)存(cun)在的(de)(de)(de)話,暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)湮滅的(de)(de)(de)時候(hou)產生(sheng)的(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)線(xian),就成為(wei)了宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)線(xian)的(de)(de)(de)額外來(lai)源(yuan)(yuan),這(zhe)(zhe)時候(hou)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)到的(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)線(xian)會(hui)不同于標準模(mo)型,多出來(lai)的(de)(de)(de)一(yi)部(bu)分(fen)可能來(lai)源(yuan)(yuan)于暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)湮滅或者(zhe)衰變(bian),對這(zhe)(zhe)多出的(de)(de)(de)一(yi)部(bu)分(fen)進行探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce),就是(shi)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)間接探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)。由諾貝(bei)爾物理(li)學(xue)獎獲得者(zhe)丁肇(zhao)中(zhong)(zhong)主持的(de)(de)(de)AMS項目中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)衛星(xing)(xing)AMS-2,就是(shi)應用(yong)的(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)一(yi)原理(li)。我國的(de)(de)(de)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)衛星(xing)(xing)也是(shi)一(yi)個宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)線(xian)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器,就是(shi)應用(yong)這(zhe)(zhe)類機(ji)制來(lai)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)暗(an)(an)物質(zhi)(zhi)。
空間(jian)探(tan)測(ce)(ce)宇宙(zhou)線(xian)主要測(ce)(ce)量(liang)(liang)宇宙(zhou)線(xian)粒子的電(dian)荷(he)(he)、能(neng)量(liang)(liang)和(he)入射(she)方向,其中(zhong)測(ce)(ce)量(liang)(liang)電(dian)荷(he)(he)包括電(dian)荷(he)(he)的大小(xiao)與正(zheng)負(fu)。電(dian)荷(he)(he)正(zheng)負(fu)的測(ce)(ce)量(liang)(liang)是最困難的,必(bi)須借助(zhu)于磁(ci)場才能(neng)實現。磁(ci)譜(pu)儀可以測(ce)(ce)量(liang)(liang)宇宙(zhou)線(xian)在其磁(ci)場中(zhong)的偏(pian)轉,進而判定入射(she)宇宙(zhou)線(xian)的電(dian)荷(he)(he)。磁(ci)譜(pu)儀造價昂貴,現在仍(reng)在空間(jian)運行的探(tan)測(ce)(ce)器只有AMS-02。Fermi-LAT、CALET和(he)DAMPE這3個(ge)探(tan)測(ce)(ce)器都利(li)用量(liang)(liang)能(neng)器來測(ce)(ce)量(liang)(liang)宇宙(zhou)線(xian)的能(neng)量(liang)(liang),而不測(ce)(ce)量(liang)(liang)電(dian)荷(he)(he)的正(zheng)負(fu)。
DAMPE即(ji)“悟(wu)空(kong)”是中國(guo)第(di)1個空(kong)間(jian)高(gao)(gao)能(neng)(neng)(neng)粒子探(tan)測(ce)(ce)器,經過(guo)全(quan)球征名(ming)活動,最(zui)終命名(ming)為(wei)(wei)“悟(wu)空(kong)”,寓意用《西游記》中火眼金睛的“悟(wu)空(kong)”尋找(zhao)難(nan)以察覺的暗物質(zhi)存在(zai)的證據。“悟(wu)空(kong)”已于2015年12月17日發射(she)(she)升空(kong),是世界上迄今為(wei)(wei)止(zhi)觀測(ce)(ce)能(neng)(neng)(neng)段范(fan)圍最(zui)寬、能(neng)(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)(bian)率最(zui)優的空(kong)間(jian)探(tan)測(ce)(ce)器,其(qi)觀測(ce)(ce)能(neng)(neng)(neng)段是國(guo)際(ji)(ji)空(kong)間(jian)站阿爾(er)法(fa)磁譜儀的10倍(bei),能(neng)(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)(bian)比國(guo)際(ji)(ji)同(tong)類探(tan)測(ce)(ce)器高(gao)(gao)3倍(bei)以上。在(zai)軌運行狀態穩定,數據源源不斷地獲取了(le)大(da)量數據。DAMPE是以中國(guo)為(wei)(wei)主,瑞(rui)士和意大(da)利參(can)與(yu)共同(tong)研發完成的。DAMPE主要探(tan)測(ce)(ce)電子宇宙射(she)(she)線(xian)、高(gao)(gao)能(neng)(neng)(neng)伽瑪射(she)(she)線(xian)和高(gao)(gao)達PeV的核素宇宙射(she)(she)線(xian)。它具(ju)有能(neng)(neng)(neng)量分(fen)辨(bian)(bian)率高(gao)(gao),測(ce)(ce)量能(neng)(neng)(neng)量范(fan)圍大(da)和本底抑制能(neng)(neng)(neng)力強三(san)大(da)優點。
DAMPE的性能優(you)勢和它(ta)的結構設計(ji)緊(jin)密相關(guan)。暗物(wu)質粒子(zi)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)衛星的探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)器由4部分組成,分別(bie)是:塑閃陣列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)器、硅陣列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)器、BGO量能器以及中子(zi)探(tan)(tan)(tan)(tan)測(ce)器。
塑(su)閃陣列探(tan)測器(qi)的主要(yao)功能(neng)是(shi)測量(liang)入(ru)射(she)宇宙線(xian)的電(dian)(dian)荷以區分(fen)不同核素(su),也有可區分(fen)高能(neng)電(dian)(dian)子和(he)伽(jia)瑪射(she)線(xian)。高能(neng)帶電(dian)(dian)粒子在穿過塑(su)料閃爍體(ti)時,通過電(dian)(dian)離和(he)發射(she)輻(fu)射(she)(光子)的方式(shi)損失能(neng)量(liang)。沉積的能(neng)量(liang)轉化為(wei)熒光,被(bei)兩端的光電(dian)(dian)倍(bei)增(zeng)管轉化為(wei)電(dian)(dian)信號(hao),經倍(bei)增(zeng)電(dian)(dian)極放大后讀出。塑(su)閃陣列探(tan)測器(qi)主要(yao)由蘭州近代(dai)物理研(yan)究所負責研(yan)制。
硅(gui)陣列探(tan)(tan)測(ce)(ce)器的(de)(de)主(zhu)要功能(neng)是(shi)(shi)測(ce)(ce)量(liang)入(ru)射(she)宇宙線粒子(zi)的(de)(de)方向(xiang)和(he)電(dian)荷。硅(gui)陣列探(tan)(tan)測(ce)(ce)器由6大層(ceng)(ceng)硅(gui)微條探(tan)(tan)測(ce)(ce)器上下層(ceng)(ceng)疊排布而成。同時在第1/2、2/3和(he)3/4層(ceng)(ceng)之間各(ge)有一塊鎢板。高(gao)能(neng)光子(zi)在穿過鎢板時以較高(gao)的(de)(de)概率轉化為(wei)正負電(dian)子(zi)對。所以光子(zi)和(he)電(dian)子(zi)在量(liang)能(neng)器中的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)是(shi)(shi)一致的(de)(de)。如果在第一層(ceng)(ceng)沒有記錄到帶電(dian)粒子(zi)的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao),但在下面幾(ji)層(ceng)(ceng)記錄到信(xin)號(hao)(hao),則入(ru)射(she)粒子(zi)為(wei)伽瑪射(she)線。硅(gui)陣列探(tan)(tan)測(ce)(ce)器是(shi)(shi)由中國(guo)科學(xue)院高(gao)能(neng)物理研究所、日內(nei)瓦大學(xue)、佩魯(lu)賈大學(xue)等單位(wei)共同研制(zhi)的(de)(de)。
BGO量能(neng)(neng)器是探(tan)測(ce)器最核心(xin)的(de)(de)組成部分(fen),其(qi)功能(neng)(neng)是測(ce)量宇宙線(xian)(xian)粒子的(de)(de)能(neng)(neng)量,并可區(qu)分(fen)宇宙線(xian)(xian)中(zhong)電(dian)子與質子。BGO晶(jing)(jing)體(ti)(ti)是一(yi)種無色透(tou)明的(de)(de)沒(mei)有(you)激活劑的(de)(de)純無機閃爍體(ti)(ti),是核物理實驗中(zhong)常用的(de)(de)一(yi)種閃爍體(ti)(ti)材料。暗物質粒子探(tan)測(ce)衛星所(suo)使用的(de)(de)BGO晶(jing)(jing)體(ti)(ti)是由上(shang)海(hai)硅酸鹽研究(jiu)所(suo)專(zhuan)門設計開發的(de)(de)。BGO量能(neng)(neng)器的(de)(de)數據讀出(chu)系統有(you)高(gao)達8萬路(lu)的(de)(de)電(dian)子學信號通道(也(ye)就是整個探(tan)測(ce)器有(you)8萬路(lu)電(dian)子信號輸(shu)出(chu);而且這8萬條電(dian)子學信號通道要在1立方米這樣(yang)小的(de)(de)范(fan)圍內布局完成,難度很大)。
中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)探測(ce)器測(ce)量的(de)(de)是(shi)(shi)宇宙線粒子(zi)在探測(ce)器上面3層(ceng)中(zhong)(zhong)(zhong)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)次(ci)級(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)。高(gao)能電(dian)子(zi)主要是(shi)(shi)電(dian)磁簇射,產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)數目很少(shao),但(dan)是(shi)(shi)質子(zi)和其他核素(su)還會發(fa)生(sheng)強子(zi)簇射,從而產(chan)(chan)生(sheng)大量的(de)(de)高(gao)能中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)。根據這種效應(ying),可以(yi)進一步區(qu)分宇宙線的(de)(de)電(dian)子(zi)和質子(zi)。中(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)探測(ce)器主要由中(zhong)(zhong)(zhong)國科學院紫金山天文(wen)臺負(fu)責研制。
與國際上(shang)其它(ta)暗物質探測(ce)衛(wei)星相比,有三個(ge)顯著優(you)勢。
一是能夠(gou)測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)線的(de)(de)(de)能量(liang)(liang)非常(chang)(chang)高,可以(yi)測(ce)量(liang)(liang)到(dao)104個GeV;二是能量(liang)(liang)分(fen)辨率高,可以(yi)達到(dao)1%左右,測(ce)得(de)比較(jiao)準(zhun);三是測(ce)量(liang)(liang)能量(liang)(liang)的(de)(de)(de)本底比較(jiao)低,也就(jiu)是區分(fen)電(dian)子和質子的(de)(de)(de)能力非常(chang)(chang)強。
暗(an)(an)物(wu)質粒子探測(ce)衛星是(shi)中國(guo)第1顆空間天文衛星,它在(zai)暗(an)(an)物(wu)質間接(jie)探測(ce)方面(mian)具有(you)較(jiao)強的國(guo)際競爭(zheng)力(li),大(da)大(da)提升了我國(guo)暗(an)(an)物(wu)質探測(ce)水(shui)平。DAMPE的主要科學目標有(you)3個(ge):暗(an)(an)物(wu)質間接(jie)探測(ce)、宇宙線物(wu)理和(he)伽馬射線天文。DAMPE已于2015年2月17日發射升空。在(zai)軌運行狀態(tai)穩定(ding),已獲取(qu)了大(da)量(liang)數據。
DAMPE可(ke)以準確測(ce)(ce)量宇宙線(xian)(xian)正(zheng)負電(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)(de)能譜(pu),有(you)望完整測(ce)(ce)量“超(chao)(chao)出(chu)”的(de)(de)(de)截(jie)斷(duan)行(xing)(xing)為(wei)。宇宙線(xian)(xian)正(zheng)負電(dian)(dian)子(zi)“超(chao)(chao)出(chu)”的(de)(de)(de)起源(yuan)有(you)暗物質和(he)天體物理過程兩類模型(xing),所預(yu)言的(de)(de)(de)“超(chao)(chao)出(chu)”的(de)(de)(de)截(jie)斷(duan)行(xing)(xing)為(wei)有(you)顯著差異。現(xian)有(you)的(de)(de)(de)數據因(yin)為(wei)只覆(fu)蓋了相對較低(di)的(de)(de)(de)能段部分(fen),還無法進行(xing)(xing)有(you)效區分(fen)這(zhe)兩類模型(xing)。DAMPE有(you)望準確測(ce)(ce)量“超(chao)(chao)出(chu)”截(jie)斷(duan)處的(de)(de)(de)能譜(pu),區分(fen)起源(yuan)模型(xing)。此外(wai),DAMPE還將(jiang)首(shou)次在空間得(de)到1~10 TeV的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)宇宙射線(xian)(xian)的(de)(de)(de)能譜(pu)、發(fa)現(xian)或限(xian)制(zhi)鄰近的(de)(de)(de)高能電(dian)(dian)子(zi)射線(xian)(xian)源(yuan)。
DAMPE由于優秀(xiu)的能(neng)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv),在(zai)伽馬射線線譜的搜尋(xun)上(shang)有望取得突破。因為(wei)對于線譜結(jie)構(gou)(gou),能(neng)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv)差的話信號容易淹沒在(zai)背(bei)景噪聲(sheng)之中(zhong)(zhong)。在(zai)高(gao)能(neng)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv)的數據(ju)(ju)中(zhong)(zhong)卻會(hui)表現為(wei)非常“尖”的結(jie)構(gou)(gou)。因此能(neng)量(liang)分(fen)辨(bian)率(lv)越高(gao),就越有可(ke)能(neng)在(zai)數據(ju)(ju)中(zhong)(zhong)找到線譜結(jie)構(gou)(gou)。
DAMPE能(neng)夠測量(liang)高(gao)達100 TeV的核(he)子宇宙(zhou)(zhou)線(xian)。地面宇宙(zhou)(zhou)線(xian)實(shi)驗測量(liang)能(neng)段偏(pian)高(gao),且難以(yi)準確區分宇宙(zhou)(zhou)線(xian)的各種組分。DAMPE可(ke)以(yi)實(shi)現地面探測和空(kong)間探測在能(neng)譜上的銜接,并且能(neng)夠區分宇宙(zhou)(zhou)線(xian)組分。
天文觀(guan)(guan)測表明,宇宙中最重(zhong)要的(de)成(cheng)分是暗(an)(an)物(wu)質和(he)暗(an)(an)能(neng)量,暗(an)(an)物(wu)質占(zhan)(zhan)宇宙25%,暗(an)(an)能(neng)量占(zhan)(zhan)70%,通常所觀(guan)(guan)測到(dao)的(de)普通物(wu)質只占(zhan)(zhan)宇宙質量5%。此前(qian),常進與外國(guo)同(tong)行合(he)作發現一些不明來歷的(de)高能(neng)電子可能(neng)是暗(an)(an)物(wu)質粒子湮滅的(de)證據。
為了進(jin)一步(bu)追尋暗(an)物(wu)(wu)質(zhi)的蹤跡(ji),常(chang)進(jin)的科研(yan)(yan)團隊提出了研(yan)(yan)制(zhi)“暗(an)物(wu)(wu)質(zhi)粒子(zi)探測衛星(xing)”計劃,得(de)到了科技部和中科院的支(zhi)持。常(chang)進(jin)介(jie)紹,在茫茫宇宙中尋找暗(an)物(wu)(wu)質(zhi)并非易(yi)事(shi),傳(chuan)統方法是(shi)采用大(da)型探測器。如諾貝爾獎獲得(de)者丁肇中教授研(yan)(yan)制(zhi)的阿爾法磁譜儀(yi)2號(hao),探測器重(zhong)達7噸。而我國正在研(yan)(yan)制(zhi)的“暗(an)物(wu)(wu)質(zhi)粒子(zi)探測衛星(xing)”,耗資(zi)少,重(zhong)量輕,希望能在暗(an)物(wu)(wu)質(zhi)探測領域取得(de)突(tu)破。
占(zhan)宇(yu)宙95%以上的(de)(de)暗物質和暗能(neng)(neng)量由萬有引(yin)力定(ding)律證實(shi)存在(zai)(zai),卻從未被直(zhi)接觀測(ce)到。暗物質粒子(zi)的(de)(de)探(tan)(tan)測(ce)是(shi)國際科(ke)學前沿(yan)競爭最為激(ji)烈的(de)(de)研究(jiu)領(ling)域。包括(kuo)我國在(zai)(zai)內(nei)的(de)(de)世界各(ge)國正在(zai)(zai)籌建或實(shi)施多個暗物質探(tan)(tan)測(ce)實(shi)驗項(xiang)目,其研究(jiu)成果可(ke)能(neng)(neng)帶來基礎科(ke)學領(ling)域的(de)(de)重大突破(po)。
據介(jie)紹(shao),“悟(wu)空”由四個有效載荷(he)組成(cheng),分別是塑閃列(lie)陣探(tan)測(ce)(ce)器(qi)、硅(gui)列(lie)陣探(tan)測(ce)(ce)器(qi)、BGO能量器(qi)和(he)中(zhong)子探(tan)測(ce)(ce)器(qi)。所有探(tan)測(ce)(ce)器(qi)及(ji)電子設備安裝(zhuang)在(zai)1個立方(fang)米的(de)空間(jian)內,技術(shu)難度超過(guo)了(le)我國所有的(de)上天高能探(tan)測(ce)(ce)設備。
此次發射的暗物質(zhi)衛星全部由中科(ke)院研制、生(sheng)產。工程2011年(nian)立項,造價1億(yi)美元,遠低于國外同類探測(ce)器(qi)。衛星將在軌運(yun)行3年(nian)以上,首批科(ke)學成果有望(wang)在6個月(yue)至1年(nian)后發布。
用于發(fa)射(she)的長征(zheng)二號丁運(yun)載火箭(jian)由(you)中(zhong)國航天(tian)科技集(ji)團公(gong)司所(suo)屬(shu)上海航天(tian)技術研(yan)究院抓(zhua)總研(yan)制,這是(shi)長征(zheng)系列運(yun)載火箭(jian)的第221次飛行。
中科院國(guo)家空間科學(xue)中心主(zhu)任吳季(ji)表(biao)示,暗物質(zhi)(zhi)粒子探測衛星的成功發射和在(zai)軌運行(xing)將(jiang)有(you)望推(tui)動我(wo)國(guo)科學(xue)家在(zai)暗物質(zhi)(zhi)探測領域取得(de)重(zhong)大突破,對促進(jin)我(wo)國(guo)空間科學(xue)領域的創新發展具有(you)重(zhong)大意義。
除暗物質衛(wei)(wei)星外,我國科學衛(wei)(wei)星系列(lie)還(huan)將陸(lu)續發射量子(zi)科學實(shi)(shi)驗衛(wei)(wei)星、實(shi)(shi)踐十(shi)號返回式科學試驗衛(wei)(wei)星、硬(ying)X射線調(diao)制(zhi)望遠鏡衛(wei)(wei)星。
暗物質(zhi)有(you)多火?就連熱(re)門美(mei)劇《生(sheng)活(huo)大爆炸》里的主角“謝耳朵”都轉行研究暗物質(zhi)了。
暗(an)物質是怎么被(bei)發現的?20世紀30年(nian)代初,美國加州理工(gong)學院的天(tian)體物理學家茲威基第一(yi)個發現,宇(yu)宙中可見(jian)物質遠(yuan)遠(yuan)不足以把(ba)宇(yu)宙連成一(yi)片,如果不是存在一(yi)種神秘而不可見(jian)的物質,星系早就分崩離析。
科學家把這種看不見的神秘物(wu)(wu)質(zhi)稱為(wei)“暗物(wu)(wu)質(zhi)”。到了20世紀(ji)70年代,多種天文觀測(ce),比如盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測(ce)、引力透鏡(jing)等都顯示(shi)了暗物(wu)(wu)質(zhi)的存在。但直到現在還沒有確(que)定的暗物(wu)(wu)質(zhi)信號被探測(ce)到。
暗物(wu)(wu)(wu)質(zhi)這一概念是瑞士天(tian)文(wen)學家(jia)Fritz Zwick提出(chu)的(de)(de)(de)。他在研(yan)究Coma星系(xi)(xi)(xi)(xi)團的(de)(de)(de)時候發(fa)現(xian)根(gen)據(ju)維里定理計算(suan)出(chu)的(de)(de)(de)星系(xi)(xi)(xi)(xi)團的(de)(de)(de)總質(zhi)量要遠大于根(gen)據(ju)發(fa)光度(du)計算(suan)出(chu)來的(de)(de)(de)星系(xi)(xi)(xi)(xi)團質(zhi)量,他推測星系(xi)(xi)(xi)(xi)團中(zhong)(zhong)存在著大量不發(fa)光的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi),并稱之為(wei)暗物(wu)(wu)(wu)質(zhi)。20世紀70年代,美國天(tian)文(wen)學家(jia)Vera Rubin等(deng)測量發(fa)現(xian)星系(xi)(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)曲線(也(ye)就是星系(xi)(xi)(xi)(xi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)繞(rao)中(zhong)(zhong)心旋(xuan)轉(zhuan)的(de)(de)(de)速度(du)與到中(zhong)(zhong)心距離的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)(xi)(xi)(xi))發(fa)現(xian)大半徑處的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)速度(du)遠大于發(fa)光物(wu)(wu)(wu)質(zhi)給(gei)出(chu)的(de)(de)(de)理論(lun)預期。如(ru)果引(yin)力理論(lun)正確的(de)(de)(de)話(hua),就需(xu)要引(yin)入看不見的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)來提供(gong)更(geng)大的(de)(de)(de)引(yin)力以束(shu)縛住速度(du)如(ru)此(ci)大的(de)(de)(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi)。
盡管(guan)暗物(wu)質(zhi)粒子的(de)確切物(wu)理(li)(li)性質(zhi)仍有(you)待進一步研究(jiu),一般認為暗物(wu)質(zhi)粒子具有(you)如下性質(zhi):電中性、大質(zhi)量(比質(zhi)子重許多)、長壽命(顯著長于宇宙的(de)壽命137億(yi)年(nian))、具有(you)正(zheng)常引力(li)相互(hu)作用(yong)。暗物(wu)質(zhi)粒子沒有(you)電磁相互(hu)作用(yong)和強相互(hu)作用(yong),但(dan)可能具弱相互(hu)作用(yong)。已知的(de)粒子中不存在滿足這些性質(zhi)的(de)粒子,這意味著暗物(wu)質(zhi)粒子的(de)研究(jiu)極(ji)可能帶來物(wu)理(li)(li)學的(de)革命性突破。
雖然科學家們還不(bu)知道暗物(wu)質究竟由什么構成,但通過觀(guan)測它(ta)如何影響(xiang)普通物(wu)質,并(bing)模擬它(ta)的引力效應,還是對它(ta)有了一(yi)些了解(jie):
——宇宙中95%以上是暗物(wu)質(zhi)和暗能量(liang),暗物(wu)質(zhi)占26.8%。暗物(wu)質(zhi)不發(fa)光、不發(fa)出(chu)電磁(ci)波、不參與電磁(ci)相(xiang)互(hu)作用,它(ta)無法用任(ren)何光學或電磁(ci)觀測設備(bei)直接“看”到。
——暗物(wu)質(zhi)難(nan)以探(tan)測,還(huan)在于它密度(du)(du)小、速(su)(su)度(du)(du)快,難(nan)以捕捉。科學(xue)家測算,暗物(wu)質(zhi)粒子每秒的運動(dong)速(su)(su)度(du)(du)為220千米,是56式半(ban)自(zi)動(dong)步(bu)槍子彈出膛速(su)(su)度(du)(du)的300倍。
——暗物(wu)質應該來自于宇(yu)宙大爆炸(zha)。在宇(yu)宙早期某一(yi)個(ge)時(shi)刻,宇(yu)宙溫(wen)度非常高,粒子能量非常強,它(ta)們劇烈碰撞,在這種相互作用(yong)下,包括暗物(wu)質在內的各種各樣(yang)的物(wu)質由此產生。
——宇(yu)宙的(de)(de)結構與暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)有關。由于暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)和它(ta)自(zi)己以及(ji)其他(ta)物質(zhi)(zhi)(zhi)不發生除了引力(li)(li)(li)以外的(de)(de)作用,它(ta)是促使宇(yu)宙膨脹時在(zai)自(zi)身引力(li)(li)(li)下(xia)形成(cheng)特定結構的(de)(de)首要物質(zhi)(zhi)(zhi)類型(xing)。暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)播下(xia)了宇(yu)宙絲狀結構的(de)(de)種子(zi),隨后可(ke)見物質(zhi)(zhi)(zhi)才聚集(ji)在(zai)一(yi)些(xie)由暗(an)物質(zhi)(zhi)(zhi)建(jian)立(li)起來的(de)(de)引力(li)(li)(li)點上,并最終形成(cheng)了星系。
——暗(an)(an)物質對生(sheng)命來說是(shi)絕不(bu)可(ke)少(shao)的(de)(de)。假如沒(mei)有暗(an)(an)物質的(de)(de)引力(li)作用,我(wo)們所在(zai)的(de)(de)銀河系將永遠無法在(zai)宇宙大爆(bao)炸(zha)后的(de)(de)膨脹過(guo)程中坍縮(suo)形成。那樣(yang)的(de)(de)話,現在(zai)既沒(mei)有太陽,也沒(mei)有地球,更沒(mei)有你我(wo)……
中(zhong)科(ke)院國家(jia)空間科(ke)學中(zhong)心主(zhu)任吳季(ji)說,由于人類(lei)還不了解暗物質,不得(de)已才(cai)稱它們(men)(men)“暗”,一(yi)旦發現了它們(men)(men)是(shi)什么,并且隨著研究的(de)(de)深入,新(xin)發現的(de)(de)粒子就(jiu)會有很多名字。“暗”只是(shi)階段性(xing)的(de)(de)名字,也充分體現了人類(lei)還不了解它。
對于找到暗物質,科(ke)學(xue)家已經等(deng)待了數十年(nian)。通過一(yi)系列實驗和觀測(ce),科(ke)學(xue)家們或許距離(li)破解暗物質這個(ge)宇宙謎團只有(you)一(yi)步之遙(yao)了。
現階段主要(yao)有(you)3種暗物(wu)質(zhi)(zhi)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)方案(an):直(zhi)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)、間(jian)(jian)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)和對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)。直(zhi)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)尋找的(de)(de)是(shi)暗物(wu)質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)和核(he)子(zi)(zi)(zi)碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)產生的(de)(de)信號(hao)。這(zhe)類實(shi)(shi)(shi)(shi)驗因為(wei)要(yao)屏(ping)蔽大(da)氣中(zhong)(zhong)(zhong)帶(dai)電粒(li)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)影響(xiang),一般在(zai)(zai)地(di)(di)下實(shi)(shi)(shi)(shi)驗室進(jin)行(xing)(xing)(xing),其優點是(shi)可以在(zai)(zai)地(di)(di)面進(jin)行(xing)(xing)(xing),造價較低。中(zhong)(zhong)(zhong)國有(you)世界上最深(shen)的(de)(de)地(di)(di)下實(shi)(shi)(shi)(shi)驗室——錦屏(ping)地(di)(di)下實(shi)(shi)(shi)(shi)驗室,因此中(zhong)(zhong)(zhong)國在(zai)(zai)暗物(wu)質(zhi)(zhi)直(zhi)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)領域也取得了很大(da)的(de)(de)成就,清華大(da)學和上海交通大(da)學各(ge)自獨立進(jin)行(xing)(xing)(xing)暗物(wu)質(zhi)(zhi)直(zhi)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)實(shi)(shi)(shi)(shi)驗項目。對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)主要(yao)是(shi)尋找高能粒(li)子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)產生的(de)(de)無法(fa)被探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)的(de)(de)暗物(wu)質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)引(yin)發的(de)(de)能量(liang)(liang)動量(liang)(liang)不守恒過程。這(zhe)類探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)都是(shi)在(zai)(zai)大(da)型高能對(dui)(dui)撞(zhuang)(zhuang)機上進(jin)行(xing)(xing)(xing),造價高昂,技術(shu)難度大(da)。間(jian)(jian)接(jie)(jie)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)主要(yao)通過研究探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)銀(yin)河(he)系內的(de)(de)暗物(wu)質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)湮滅產生的(de)(de)普通粒(li)子(zi)(zi)(zi),信號(hao)在(zai)(zai)宇宙線(xian)能譜上變現為(wei)各(ge)種“超出”或者“鼓包”。因為(wei)大(da)氣對(dui)(dui)宇宙線(xian)的(de)(de)屏(ping)蔽作用,這(zhe)類實(shi)(shi)(shi)(shi)驗需要(yao)發射空間(jian)(jian)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)器在(zai)(zai)大(da)氣層進(jin)行(xing)(xing)(xing)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)。國際上正在(zai)(zai)運行(xing)(xing)(xing)的(de)(de)空間(jian)(jian)科(ke)學衛(wei)星(xing)(xing)有(you)費(fei)米大(da)天區(qu)望遠(yuan)鏡(Fermi-LAT),阿爾(er)法(fa)磁譜儀2(AMS-02)、電子(zi)(zi)(zi)對(dui)(dui)望遠(yuan)鏡(CALET)和中(zhong)(zhong)(zhong)國的(de)(de)暗物(wu)質(zhi)(zhi)粒(li)子(zi)(zi)(zi)探(tan)測(ce)(ce)(ce)(ce)衛(wei)星(xing)(xing)DAMPE。
成功發射
2015年(nian)12月17日8時12分,我國在酒泉衛(wei)(wei)星發射中心用(yong)長征二(er)號丁運(yun)載火箭丁成(cheng)功(gong)(gong)將(jiang)暗物質(zhi)粒子探測(ce)衛(wei)(wei)星“悟空(kong)(kong)”發射升空(kong)(kong),衛(wei)(wei)星順利進入預定(ding)轉(zhuan)移軌道。此次(ci)發射任(ren)務圓滿成(cheng)功(gong)(gong),標志著我國空(kong)(kong)間科學研(yan)究邁出重要一步。
“悟空”肩負(fu)著去太空尋(xun)找暗物(wu)質存在證據的(de)使命,它擁有“火眼金睛”,觀(guan)測(ce)能段(duan)、能量分(fen)辨率超過(guo)國際上其他同類探測(ce)器,可謂“神通廣大(da)”,有望在物(wu)理學前沿帶來重大(da)突破。
暗物(wu)質和(he)暗能(neng)量被科學(xue)(xue)家們稱為“籠罩在21世紀(ji)物(wu)理學(xue)(xue)上的兩朵烏云”。中(zhong)國和(he)世界各國已著手籌建或實施多個(ge)暗物(wu)質探測實驗項目(mu),其(qi)研(yan)究成果可(ke)能(neng)帶(dai)來基礎(chu)科學(xue)(xue)領域的重大(da)突破。
正式命名
暗(an)物(wu)質粒子探測(ce)衛(wei)星公(gong)開征(zheng)名(ming)活(huo)動由人民網和(he)中國(guo)(guo)科(ke)學院(yuan)(yuan)國(guo)(guo)家(jia)空(kong)間(jian)科(ke)學中心、中國(guo)(guo)科(ke)學院(yuan)(yuan)紫(zi)金山天文(wen)臺和(he)共(gong)同主(zhu)辦,自2015年9月底上(shang)(shang)線以(yi)來,共(gong)收到(dao)有效名(ming)稱(cheng)方(fang)案32517個。在(zai)數(shu)據統計的基礎(chu)上(shang)(shang),經過專家(jia)評委(wei)投票,由中科(ke)院(yuan)(yuan)批準(zhun),將暗(an)物(wu)質粒子探測(ce)衛(wei)星正(zheng)式命(ming)名(ming)為(wei)“悟(wu)空(kong)”。
將暗物質(zhi)粒子探(tan)測衛星命名為“悟空”,符合將科學(xue)衛星以神話形(xing)象命名的(de)(de)做(zuo)法,如美國的(de)(de)阿波羅、歐洲的(de)(de)尤(you)利(li)西斯、中國的(de)(de)玉兔(tu)等(deng)。這樣做(zuo)可以借助傳統文化,提升(sheng)我國公(gong)眾(zhong)科學(xue)素養,吸引(yin)青少(shao)年(nian)熱愛科學(xue)、探(tan)索(suo)未知。
“悟(wu)空(kong)”是中(zhong)國古典名(ming)著《西游記》中(zhong)齊(qi)天(tian)大圣的名(ming)字(zi),“悟(wu)”有領(ling)悟(wu)的意思,“悟(wu)空(kong)”有領(ling)悟(wu)、探索太(tai)空(kong)之意;另(ling)一方面,“悟(wu)空(kong)”的火眼(yan)金睛(jing),猶如暗物(wu)質粒子(zi)探測衛星的探測器,可以在茫(mang)茫(mang)太(tai)空(kong)中(zhong),識別暗物(wu)質的蹤影。
成立科學組
2015年10月29日(ri)(ri)至31日(ri)(ri),由中國(guo)(guo)(guo)科(ke)(ke)學(xue)院紫(zi)金山(shan)天(tian)文臺(tai)主(zhu)辦的第四屆暗物(wu)質探測衛(wei)星(DAMPE)研(yan)(yan)討(tao)會(hui)在南京(jing)召開。來自DAMPE主(zhu)要研(yan)(yan)制(zhi)單(dan)(dan)位(wei)(wei)中國(guo)(guo)(guo)科(ke)(ke)學(xue)院紫(zi)金山(shan)天(tian)文臺(tai)、高能物(wu)理研(yan)(yan)究所、近代物(wu)理研(yan)(yan)究所、國(guo)(guo)(guo)家(jia)空間科(ke)(ke)學(xue)中心和(he)中國(guo)(guo)(guo)科(ke)(ke)學(xue)技術大學(xue)以及國(guo)(guo)(guo)際合作單(dan)(dan)位(wei)(wei)瑞士日(ri)(ri)內瓦大學(xue)、意大利國(guo)(guo)(guo)家(jia)核物(wu)理研(yan)(yan)究所、佩魯賈大學(xue)、巴里大學(xue)、薩倫托大學(xue)以及美國(guo)(guo)(guo)麻省理工學(xue)院等單(dan)(dan)位(wei)(wei)50余(yu)位(wei)(wei)專家(jia)學(xue)者參加了此次會(hui)議。
研討會(hui)期間,常進正式宣(xuan)布暗物(wu)質粒子探測衛(wei)星科(ke)(ke)(ke)學(xue)合作組(zu)(zu)成(cheng)立(li)。科(ke)(ke)(ke)學(xue)合作組(zu)(zu)在(zai)DAMPE科(ke)(ke)(ke)學(xue)應用系(xi)統(tong)(tong)組(zu)(zu)織(zhi)下,負責DAMPE探測器運行及實(shi)驗(yan)數(shu)據的刻度、重(zhong)建、物(wu)理(li)(li)分析(xi)。合作組(zu)(zu)推舉了組(zu)(zu)織(zhi)委員會(hui)(IB)和(he)執(zhi)行委員會(hui)(EB),下設運行組(zu)(zu)、軟(ruan)件組(zu)(zu)、技術組(zu)(zu)、物(wu)理(li)(li)分析(xi)組(zu)(zu)和(he)科(ke)(ke)(ke)學(xue)顧問組(zu)(zu)。會(hui)議最后(hou),科(ke)(ke)(ke)學(xue)應用系(xi)統(tong)(tong)還(huan)對DAMPESW軟(ruan)件的研發狀態和(he)分工進行討論(lun)及確定,為衛(wei)星成(cheng)功發射(she)后(hou)的數(shu)據處理(li)(li)及分析(xi)、科(ke)(ke)(ke)學(xue)目標(biao)的實(shi)施(shi)奠定了基礎。
完成束流實驗
中(zhong)(zhong)國(guo)科學院空間戰略先(xian)導專項(xiang)“暗(an)物(wu)質粒(li)子(zi)探(tan)測衛星”有(you)效載荷——DAMPE粒(li)子(zi)探(tan)測譜(pu)儀初樣(yang)鑒定(ding)件(jian)在(zai)歐洲核子(zi)研究中(zhong)(zhong)心(xin)(CERN)進行了(le)(le)為期(qi)20天(tian)的(de)(de)束(shu)流(liu)(liu)測試和標定(ding)實驗(yan)。實驗(yan)驗(yan)證(zheng)了(le)(le)DAMPE譜(pu)儀的(de)(de)能(neng)量響(xiang)應線(xian)性(xing)、能(neng)量分辨等關鍵指標,取得圓滿成(cheng)功。此次DAMPE譜(pu)儀鑒定(ding)件(jian)在(zai)CERN的(de)(de)束(shu)流(liu)(liu)實驗(yan),是整個(ge)暗(an)物(wu)質粒(li)子(zi)探(tan)測衛星研制中(zhong)(zhong)必不可缺少的(de)(de)一環,其(qi)成(cheng)功完成(cheng),驗(yan)證(zheng)了(le)(le)DAMPE譜(pu)儀的(de)(de)軟、硬件(jian)功能(neng)完備(bei)正確、系統工作可靠、科學探(tan)測數據可信(xin)、性(xing)能(neng)達標;并為正樣(yang)飛行件(jian)在(zai)軌運行物(wu)理數據的(de)(de)分析提供了(le)(le)依據,保證(zheng)了(le)(le)未來科學成(cheng)果的(de)(de)可信(xin)度。
完成測試在(zai)軌交(jiao)付
2016年3月17日,我國空間科學系列首(shou)發(fa)星暗物質(zhi)粒子探測(ce)衛星“悟空”圓滿完成(cheng)三個月的在(zai)軌(gui)測(ce)試任務(wu),順利交付(fu)用戶單位(wei)。
經過三個月的(de)在軌測(ce)試,衛星(xing)的(de)四大科學載荷——塑閃(shan)陣列探測(ce)器、硅陣列探測(ce)器、BGO量(liang)能器和中子(zi)探測(ce)器功能性能穩定,上(shang)注至衛星(xing)的(de)全部指令(ling)均正確執行,星(xing)地鏈路通暢,完(wan)成了(le)所(suo)有(you)既定的(de)測(ce)試項目(mu),衛星(xing)各項技術指標達到或超(chao)過了(le)預期。
國外現狀
直接探(tan)測(ce)測(ce)量(liang)(liang)的(de)是暗物質粒子(zi)和(he)原子(zi)核碰撞后原子(zi)核的(de)反(fan)沖信(xin)號。核反(fan)沖信(xin)號一般通過測(ce)量(liang)(liang)聲子(zi)、光和(he)電荷這三類(lei)信(xin)號獲得。國(guo)際上已(yi)經開展的(de)實驗有很多(duo),如Xenon,CoGeNT ,CDMS ,DAMA等。
中(zhong)(zhong)國科學(xue)院遙感(gan)與(yu)數字地(di)(di)球所(suo)所(suo)屬的中(zhong)(zhong)國遙感(gan)衛(wei)星(xing)地(di)(di)面(mian)站(zhan)喀什站(zhan)已于12月20日8時(shi)45分成(cheng)功跟蹤、接收(shou)到(dao)我國首顆暗物質粒子探(tan)測衛(wei)星(xing)“悟(wu)空(kong)”的首軌X頻(pin)段下行數據(ju)(ju),到(dao)8時(shi)52分完成(cheng)任務數據(ju)(ju)的接收(shou)、記(ji)錄,并傳輸至中(zhong)(zhong)國科學(xue)院國家空(kong)間科學(xue)中(zhong)(zhong)心。這(zhe)一成(cheng)功接收(shou),標志著“悟(wu)空(kong)”和地(di)(di)面(mian)站(zhan)星(xing)地(di)(di)之間的數據(ju)(ju)傳輸鏈(lian)路正式開通。
2015年12月24日17時55分,我國(guo)科學(xue)(xue)(xue)衛(wei)星系列首發星——暗物質粒(li)子(zi)探(tan)測(ce)衛(wei)星“悟(wu)空”升空后第7天,經衛(wei)星平臺(tai)測(ce)試、有效(xiao)載(zai)荷管(guan)理器加電測(ce)試、科學(xue)(xue)(xue)探(tan)測(ce)器高壓加電測(ce)試后,第一批科學(xue)(xue)(xue)數據成功下傳至中科院國(guo)家空間科學(xue)(xue)(xue)中心空間科學(xue)(xue)(xue)任務大(da)廳。
接收(shou)到的(de)數據顯示,暗物(wu)質衛星的(de)四大科學(xue)載荷:塑(su)閃陣列探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)、硅(gui)陣列探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)、BGO量能器(qi)、中子探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)探(tan)(tan)測(ce)(ce)到的(de)高能電子和伽馬射線(xian)計數與地面預測(ce)(ce)計數率一致,表(biao)明暗物(wu)質衛星的(de)有效載荷已開始正常工作。
2016年3月(yue)17日(ri),我國空間(jian)科學系(xi)列首發星(xing)暗物質粒(li)子探測(ce)衛星(xing)“悟空”圓滿(man)完(wan)成(cheng)三(san)個(ge)月(yue)的在(zai)軌測(ce)試任務,順利交付用戶單位。暗物質衛星(xing)自2015年12月(yue)20日(ri)接(jie)(jie)收到(dao)第(di)一幀(zhen)數(shu)(shu)傳數(shu)(shu)據(ju)(ju)以來,衛星(xing)地面支(zhi)撐系(xi)統累計(ji)(ji)接(jie)(jie)收數(shu)(shu)據(ju)(ju)494軌,累計(ji)(ji)接(jie)(jie)收原(yuan)始(shi)數(shu)(shu)據(ju)(ju)文件約2.4TB,生成(cheng)科學數(shu)(shu)據(ju)(ju)產品41類,總(zong)計(ji)(ji)110606個(ge),數(shu)(shu)據(ju)(ju)產品總(zong)量約5.5TB。截至2016年3月(yue)17日(ri),暗物質衛星(xing)在(zai)軌飛行92天(tian),共探測(ce)到(dao)4.6億個(ge)高能粒(li)子,完(wan)成(cheng)了三(san)分(fen)之二(er)天(tian)區的掃描。
2021年9月7日,國(guo)家空間科(ke)學(xue)數(shu)據中心與中國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)紫金山天文臺(tai)聯合公開發布“悟空”號暗物質粒子(zi)探(tan)測衛(wei)星首(shou)批伽馬光子(zi)科(ke)學(xue)數(shu)據。
超(chao)大(da)質量黑洞是(shi)宇(yu)宙中廣(guang)泛存(cun)(cun)在(zai)的(de)(de)一類(lei)(lei)天(tian)體,它們的(de)(de)質量是(shi)太陽(yang)的(de)(de)幾(ji)十萬至(zhi)(zhi)數(shu)百億倍,幾(ji)乎在(zai)每個(ge)大(da)星系(xi)、包括(kuo)人類(lei)(lei)身(shen)處的(de)(de)銀(yin)河系(xi)中心,都存(cun)(cun)在(zai)至(zhi)(zhi)少一個(ge)這樣(yang)的(de)(de)黑洞。有些巨型(xing)黑洞在(zai)宇(yu)宙極早期就已經存(cun)(cun)在(zai),它們如何形成、演變、反作用于星系(xi),至(zhi)(zhi)今仍是(shi)未解之謎。但人類(lei)(lei)研究(jiu)這些碩大(da)的(de)(de)“宇(yu)宙妖怪(guai)”并(bing)非毫無辦法(fa)。
科學(xue)家(jia)已經發現,有一部(bu)分(fen)超(chao)大(da)質量黑洞(dong)并(bing)非(fei)一直(zhi)悄(qiao)無(wu)(wu)聲息,而會肆無(wu)(wu)忌憚(dan)地(di)“大(da)吃大(da)喝”:它們吞(tun)噬的物質聚集(ji)形(xing)成(cheng)吸積盤、并(bing)且產生強(qiang)有力(li)的噴(pen)流(liu),使(shi)黑洞(dong)表現得異(yi)常明亮。這一類(lei)天體(ti)也被稱(cheng)作活動星(xing)系(xi)核,它們正是人類(lei)解開(kai)黑洞(dong)之謎的鑰(yao)匙(chi)。
CTA 102就(jiu)是(shi)一個(ge)著名(ming)的活動星系核。它于(yu)1963年被首(shou)次(ci)發現,其(qi)黑(hei)洞質(zhi)量約(yue)為太(tai)陽(yang)的8.5億(yi)倍,與太(tai)陽(yang)系距離約(yue)為80億(yi)光年。科(ke)學記錄顯示,CTA 102上(shang)一次(ci)比(bi)較(jiao)劇(ju)烈(lie)的活動發生在2012年。
我國(guo)于(yu)2015年(nian)(nian)底(di)發(fa)射(she)(she)(she)的(de)暗物質(zhi)粒子(zi)探測衛星“悟(wu)空(kong)”,主要目(mu)標就是通過空(kong)間(jian)觀測宇宙射(she)(she)(she)線(xian)和(he)伽(jia)(jia)馬射(she)(she)(she)線(xian),來(lai)探索宇宙暗物質(zhi)和(he)類似黑洞這樣的(de)宇宙“妖怪(guai)”。紫金山(shan)天文臺暗物質(zhi)衛星團(tuan)隊介紹(shao),自(zi)2016年(nian)(nian)10月(yue)以來(lai),“悟(wu)空(kong)”頻繁捕捉到(dao)來(lai)自(zi)CTA 102的(de)伽(jia)(jia)馬射(she)(she)(she)線(xian)輻(fu)射(she)(she)(she)。特別是11月(yue)23日以后,“悟(wu)空(kong)”記錄(lu)到(dao)明顯增強的(de)伽(jia)(jia)馬射(she)(she)(she)線(xian)爆發(fa)現象,這一爆發(fa)在12月(yue)16日達到(dao)峰值。記錄(lu)到(dao)的(de)最高光子(zi)能(neng)量約620億(yi)電子(zi)伏特,相當于(yu)靜止質(zhi)子(zi)等效能(neng)量的(de)66倍。
這(zhe)一(yi)觀測(ce)結(jie)果也(ye)得到(dao)其他設備的印(yin)證。紫金山天文臺1米近地(di)天體巡天望遠鏡也(ye)觀測(ce)到(dao)CTA 102的此(ci)輪爆發。根據望遠鏡記錄,2016年(nian)6月(yue)18日至12月(yue)20日之間,CTA 102亮度持續增(zeng)強。
2016年12月(yue)29日,中科(ke)院紫金山天文(wen)臺(tai)通(tong)報,暗物質(zhi)粒子探測(ce)衛(wei)星“悟空”近兩個月(yue)內頻(pin)繁記錄(lu)到來自超大質(zhi)量黑洞CTA 102的(de)伽馬射線爆發。這是暗物質(zhi)衛(wei)星科(ke)研團(tuan)隊自衛(wei)星上天后首次(ci)發布觀測(ce)成果。“悟空”觀測(ce)到的(de)現象表明,黑洞CTA 102正經歷新一輪活躍期。
“CTA 102是(shi)‘“悟空”’捕獲的(de)(de)第一(yi)個(ge)‘小(xiao)妖’,我(wo)們將持續監測它(ta)的(de)(de)活動。相信借助(zhu)‘“悟空”’的(de)(de)火眼金睛,未來(lai)還能‘抓獲’更多的(de)(de)‘宇宙妖怪’,為(wei)人類認(ren)識(shi)宇宙萬象提供有力的(de)(de)幫(bang)助(zhu)。”暗(an)物質衛星(xing)項(xiang)目團隊成員徐遵磊(lei)說。
2017年11月30日,國際權威學術(shu)期刊《自(zi)然》在線發表,暗(an)(an)物質粒子(zi)探測衛(wei)星“悟空”有充分數據證(zheng)實,在太空中測量(liang)到了(le)電子(zi)宇宙射線的一處異常波(bo)動。這(zhe)一波(bo)動此(ci)前(qian)從未被觀測到,意(yi)味著中國科學家取(qu)得一項(xiang)開創性發現(xian),且有可(ke)能與(yu)暗(an)(an)物質相關。
2021年5月19日,中國暗物(wu)質衛星(xing)項(xiang)目團隊公布科學成果(guo)。基于四(si)年半的在軌觀(guan)測數(shu)據,“悟(wu)空”繪出迄今最精確的高能(neng)氦原子(zi)核宇宙射線(xian)能(neng)譜,并(bing)觀(guan)察到能(neng)譜新結構。這一(yi)發現可能(neng)預示存在一(yi)處未知的宇宙射線(xian)源。
2021年5月19日,中(zhong)科院紫(zi)金山(shan)天文(wen)臺(tai)發(fa)布(bu)“悟(wu)(wu)空(kong)”號(hao)最(zui)新研究成果(guo):獲得氦(hai)核宇(yu)宙線70 GeV至80 TeV能(neng)(neng)(neng)段的(de)(de)(de)精(jing)確能(neng)(neng)(neng)譜測量結(jie)果(guo)并發(fa)現能(neng)(neng)(neng)譜新結(jie)構。這是國際上利(li)用空(kong)間實驗實現對(dui)(dui)10 TeV以(yi)上能(neng)(neng)(neng)段氦(hai)核宇(yu)宙線能(neng)(neng)(neng)譜的(de)(de)(de)首次精(jing)確測量。“悟(wu)(wu)空(kong)”號(hao)的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)對(dui)(dui)揭(jie)示(shi)高能(neng)(neng)(neng)宇(yu)宙線的(de)(de)(de)起源以(yi)及(ji)加速機制具(ju)有(you)十分重要的(de)(de)(de)意義。
2021年(nian)9月7日(ri),國家空(kong)間科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)中心(xin)與中國科(ke)(ke)(ke)學(xue)院(yuan)紫(zi)金山天(tian)文臺聯合公開(kai)發(fa)布“悟空(kong)”號暗物(wu)質粒子(zi)探(tan)測(ce)衛星(xing)首批伽(jia)馬光子(zi)科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)。此次公開(kai)發(fa)布2016年(nian)1月1日(ri)-2018年(nian)12月31日(ri)的伽(jia)馬光子(zi)科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)(共計99864個事例),以及與其相(xiang)關的衛星(xing)狀態(tai)文件(共計1096條記錄(lu))。相(xiang)關科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)可(ke)通過(guo)國家空(kong)間科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)中心(xin)或中國科(ke)(ke)(ke)學(xue)院(yuan)紫(zi)金山天(tian)文臺獲取。后續(xu),研究(jiu)單位將持續(xu)發(fa)布伽(jia)馬光子(zi)科(ke)(ke)(ke)學(xue)數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju),開(kai)展數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)分析與應用技術及工具(ju)的研發(fa),為公眾提供更多樣、更精(jing)細、更透明的數(shu)據(ju)(ju)(ju)(ju)共享與應用服務。
2017年12月底(di),“悟(wu)空”號(hao)衛星出現的一(yi)場意(yi)外狀(zhuang)況,導致(zhi)其接(jie)收到的數(shu)據(ju)量突然銳(rui)減;經過30名(ming)隊友(you)19個小時(shi)的緊張忙碌(liu),“悟(wu)空”號(hao)恢復正常。
2015年(nian)(nian)12月17日升空工作(zuo),原計劃在(zai)天運行3年(nian)(nian),但(dan)““悟(wu)空”將延期服役至2020年(nian)(nian)。2019年(nian)(nian)10月,暗物質衛星首席科學(xue)家常進說,衛星在(zai)軌運行近4年(nian)(nian)來(lai),各有效載荷運行良好(hao),已(yi)總計獲取約(yue)(yue)70億個粒(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)信息,關鍵科學(xue)工作(zuo)正在(zai)持續推進。從(cong)研究成(cheng)果來(lai)看,與國際同類探測器比較,“悟(wu)空”繪出的(de)(de)(de)質子(zi)(zi)宇(yu)宙線能(neng)(neng)譜(pu),在(zai)1-100 TeV能(neng)(neng)段(duan)精度最高,其能(neng)(neng)量(liang)上限,比著名物理學(xue)家丁肇中領(ling)導的(de)(de)(de)阿爾法(fa)磁譜(pu)儀實(shi)驗高出約(yue)(yue)50倍,比日本學(xue)者領(ling)銜的(de)(de)(de)量(liang)能(neng)(neng)器電子(zi)(zi)望(wang)遠鏡(jing)實(shi)驗高出10倍。
““悟空(kong)”將(jiang)延期服(fu)役至2020年,同(tong)時我們(men)也已經(jing)在(zai)為(wei)下一(yi)代空(kong)間高能(neng)伽馬和粒(li)子探測實驗(yan)做準備。”范一(yi)中透露,團隊已經(jing)在(zai)開展(zhan)關鍵技術預研,新的探測器將(jiang)改(gai)進設計,強化低(di)能(neng)粒(li)子篩選能(neng)力和伽馬射線探測能(neng)力等,預計總探測效(xiao)能(neng)達到10倍以上(shang)。
“悟空(kong)”號(hao)的(de)設計壽命為(wei)3年,探測器(qi)及衛星(xing)平臺運(yun)行狀態良好,已于2019年1月正式進行首次(ci)延壽運(yun)行,為(wei)期2年。基于“悟空(kong)”號(hao)優異的(de)工作狀態,有望(wang)再次(ci)延壽運(yun)行。
2020年(nian)12月(yue)17日(ri),暗物質粒子探測衛星“悟空”科(ke)研團隊(dui)宣布,鑒于衛星運行情況(kuang)良好,項(xiang)目(mu)團隊(dui)已與各(ge)保障部門商定,再(zai)次將其“服役(yi)期”延長1年(nian)。