暗物質粒子探測衛(wèi)星

暗物質粒子探測衛(wèi)星世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的探測衛(wèi)星01衛(wèi)星簡介科學目標性能與結構衛(wèi)星組成探測原理優(yōu)勢目錄030502040607研發(fā)背景成功接收數據觀測成果研發(fā)歷程DAMPE的優(yōu)勢目錄0901108010基本信息暗物質粒子探測衛(wèi)星（英文：DarkMatterParticleExplorer，縮寫：DAMPE）是中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項中首批立項研制的4顆科學實驗衛(wèi)星之一，是世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質粒子探測衛(wèi)星。DAMPE是一個空間望遠鏡，有效載荷質量1410公斤，它可以探測高能伽馬射線、電子和宇宙射線。它由一個塑料閃爍探測器、硅微條、鎢板、電磁量能器和中子探測器組成。DAMPE的主要科學目標是以更高的能量和更好的分辨率來測量宇宙射線中正負電子之比，以找出可能的暗物質信號。它也有很大潛力來加深人類對于高能宇宙射線的起源和傳播機制的理解，也有可能在高能γ射線天文方面有新發(fā)現。2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空。它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強等優(yōu)勢，將中國的暗物質探測提升至新的水平。中科院紫金山天文臺2016年12月29日通報，暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”近兩個月內頻繁記錄到來自超大質量黑洞CTA102的伽馬射線爆發(fā)。這是暗物質衛(wèi)星科研團隊自衛(wèi)星上天后首次發(fā)布觀測成果。“悟空”觀測到的現象表明，黑洞CTA102正經歷新一輪活躍期。衛(wèi)星簡介衛(wèi)星簡介暗物質粒子探測衛(wèi)星(5張)“暗物質粒子探測衛(wèi)星”計劃屬于中國科學院“空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項”，由中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文研究部、中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所和中國科學院高能物理研究所等合作研發(fā)。

“悟空”是世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質粒子探測衛(wèi)星，超過國際上所有同類探測器。它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務，探尋暗物質存在的證據，研究暗物質特性與空間分布規(guī)律。衛(wèi)星組成衛(wèi)星組成主要目的：尋找暗物質粒子，研究暗物質特性與空間分布規(guī)律，探尋宇宙射線起源并觀測高能伽馬射線，有望在物理學與天文學前沿帶來新的重大突破。

主要本領：測量高能粒子的能量、方向和電荷，以及鑒別粒子的種類。主要構成：塑閃陣列探測器（PSD），硅陣列探測器（STK）、電磁量能器（BGO）、中子探測器。PSD用作反符合，由兩層塑料閃爍體條組成；STK由6個徑跡雙層，每個由正交擺放的兩個單面硅條組成；有三層鎢板厚度分別為1cm、2mm、2mm，，插在硅微條的第2、3、4層前面，用作光子轉換；BGO有14層，每層22根，相鄰兩層正交排列，用來測量射線的能量；中子探測器加在量能器的底部。BGO量能器和STK總共大約33個輻射長度，是空間里最深的量能器。

各自作用：塑料閃爍體探測器：區(qū)分電荷。電子和光子打進來，是不同的。Si陣列探測器：測量宇宙線的方向和電荷。BGO量能器：最為重要，測量宇宙線的能量。科學目標科學目標一是暗物質間接探測，也是最主要的；二是尋找宇宙射線的起源；三是伽馬射線天體物理。

探測原理探測原理悟空(6張)1.什么是高能宇宙射線？指的是來自宇宙中具有相當大能量的帶電粒子流，1912年由德國科學家韋克多·漢斯發(fā)現。他制作了一個電離室，用于測量空氣中的電離度（空氣中的帶電粒子數量）。同時期也有其他的科學家制作電離室，漢斯的創(chuàng)新之處在于，他將電離室放在熱氣球上，這樣在放飛前，能測量出地面的電離度，放飛后，能測量出不同海拔高度的電離度。而漢斯的測量結果顯示：海拔越高，電離度越大。這說明帶電粒子并不是地球產生的，否則不會越遠離地面，電離度越高。也就是說，宇宙空間會產生帶電粒子，再打到地球上。宇宙線產生后，在銀河系傳播的過程中，有一定的幾率逃脫銀河系，跑到宇宙空間去，這樣宇宙線的能量就會越來越低。但實際上宇宙線的能量是比較穩(wěn)定的。這是因為宇宙線有源頭，宇宙線的源頭一般認為是超新星的爆發(fā)。當超新星爆炸的時候，會將自身的高能量粒子，例如氫核、氦核，以非常高的速度拋射到星系空間中。2.性能與結構性能與結構結構示意圖(2張)空間探測宇宙線主要測量宇宙線粒子的電荷、能量和入射方向，其中測量電荷包括電荷的大小與正負。電荷正負的測量是最困難的，必須借助于磁場才能實現。磁譜儀可以測量宇宙線在其磁場中的偏轉，進而判定入射宇宙線的電荷。磁譜儀造價昂貴，現在仍在空間運行的探測器只有AMS-02。Fermi-LAT、CALET和DAMPE這3個探測器都利用量能器來測量宇宙線的能量，而不測量電荷的正負。DAMPE即“悟空”是中國第1個空間高能粒子探測器，經過全球征名活動，最終命名為“悟空”，寓意用《西游記》中火眼金睛的悟空尋找難以察覺的暗物質存在的證據。“悟空”已于2015年2月17日發(fā)射升空，是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測器，其觀測能段是國際空間站阿爾法磁譜儀的10倍，能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。在軌運行狀態(tài)穩(wěn)定，數據源源不斷地獲取了大量數據。DAMPE是以中國為主，瑞士和意大利參與共同研發(fā)完成的。DAMPE主要探測電子宇宙射線、高能伽瑪射線和高達PeV的核素宇宙射線。它具有能量分辨率高,測量能量范圍大和本底抑制能力強三大優(yōu)點。設計指標如表1所示。DAMPE的性能優(yōu)勢和它的結構設計緊密相關。暗物質粒子探測衛(wèi)星的探測器由4部分組成，分別是：塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器以及中子探測器。塑閃陣列探測器的主要功能是測量入射宇宙線的電荷以區(qū)分不同核素，也有可區(qū)分高能電子和伽瑪射線。高能帶電粒子在穿過塑料閃爍體時，通過電離和發(fā)射輻射(光子)的方式損失能量。沉積的能量轉化為熒光，被兩端的光電倍增管轉化為電信號，經打拿級放到后讀出。塑閃陣列探測器主要由蘭州近代物理研究所負責研制。硅陣列探測器的主要功能是測量入射宇宙線粒子的方向和電荷。硅陣列探測器由6大層硅微條探測器上下層疊排布而成。優(yōu)勢優(yōu)勢與國際上其它暗物質探測衛(wèi)星相比，有三個顯著優(yōu)勢。一是能夠測量的宇宙線的能量非常高，可以測量到104個GeV；二是能量分辨率高，可以達到1%左右，測得比較準；三是測量能量的本底比較低，也就是區(qū)分電子和質子的能力非常強。

研發(fā)背景研發(fā)背景天文觀測表明，宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量5%。此前，他與外國同行合作發(fā)現一些不明來歷的高能電子可能是暗物質粒子湮滅的證據。為了進一步追尋暗物質的蹤跡，常進的科研團隊提出了研制“暗物質粒子探測衛(wèi)星”計劃，得到了科技部和中科院的支持。常進介紹，在茫茫宇宙中尋找暗物質并非易事，傳統(tǒng)方法是采用大型探測器。如諾貝爾獎獲得者丁肇中教授研制的阿爾法磁譜儀2號，探測器重達7噸。而我國正在研制的“暗物質粒子探測衛(wèi)星”，耗資少，重量輕，希望能在暗物質探測領域取得突破。占宇宙95%以上占宇宙95%以上的暗物質和暗能量由萬有引力定律證實存在，卻從未被直接觀測到。暗物質粒子的探測是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。包括我國在內的世界各國正在籌建或實施多個暗物質探測實驗項目，其研究成果可能帶來基礎科學領域的重大突破。據介紹，“悟空”由四個有效載荷組成，分別是塑閃列陣探測器、硅列陣探測器、BGO能量器和中子探測器。所有探測器及電子設備安裝在1個立方米的空間內，技術難度超過了我國所有的上天高能探測設備。此次發(fā)射的暗物質衛(wèi)星全部由中科院研制、生產。工程2011年立項，造價1億美元，遠低于國外同類探測器。研發(fā)歷程成功發(fā)射正式命名成立科學組完成束流實驗完成測試在軌交付國外現狀010302040506研發(fā)歷程成功發(fā)射2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭丁成功將暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預定轉移軌道。此次發(fā)射任務圓滿成功，標志著我國空間科學研究邁出重要一步?！拔蚩铡奔缲撝ヌ諏ふ野滴镔|存在證據的使命，它擁有“火眼金睛”，觀測能段、能量分辨率超過國際上其他同類探測器，可謂“神通廣大”，有望在物理學前沿帶來重大突破。暗物質和暗能量被科學家們稱為“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”。中國和世界各國已著手籌建或實施多個暗物質探測實驗項目，其研究成果可能帶來基礎科學領域的重大突破。

正式命名暗物質粒子探測衛(wèi)星公開征名活動由人民和中國科學院國家空間科學中心、中國科學院紫金山天文臺和共同主辦，自9月底上線以來，共收到有效名稱方案個。在數據統(tǒng)計的基礎上，經過專家評委投票，由中科院批準，2015年12月16日下午，中國科學院國家空間科學中心宣布將暗物質粒子探測衛(wèi)星正式命名為“悟空”。

悟空衛(wèi)星將暗物質粒子探測衛(wèi)星命名為“悟空”，符合將科學衛(wèi)星以神話形象命名的做法，如美國的阿波羅、歐洲的尤利西斯、中國的玉兔等。這樣做可以借助傳統(tǒng)文化，提升我國公眾科學素養(yǎng)，吸引青少年熱愛科學、探索未知。

悟空是中國古典名著《西游記》中齊天大圣的名字，“悟”有領悟的意思，“悟空”有領悟、探索太空之意；另一方面，悟空的火眼金睛，猶如暗物質粒子探測衛(wèi)星的探測器，可以在茫茫太空中，識別暗物質的蹤影。成立科學組2015年10月29日至31日，由中國科學院紫金山天文臺主辦的第四屆暗物質探測衛(wèi)星（DAMPE）研討會在南京召開。來自DAMPE主要研制單位中國科學院紫金山天文臺、高能物理研究所、近代物理研究所、國家空間科學中心和中國科學技術大學以及國際合作單位瑞士日內瓦大學、意大利國家核物理研究所、佩魯賈大學、巴里大學、薩倫托大學以及美國麻省理工學院等單位50余位專家學者參加了此次會議。

研討會期間，常進正式宣布暗物質粒子探測衛(wèi)星科學合作組成立?？茖W合作組在DAMPE科學應用系統(tǒng)組織下，負責DAMPE探測器運行及實驗數據的刻度、重建、物理分析。合作組推舉了組織委員會（IB）和執(zhí)行委員會（EB），下設運行組、軟件組、技術組、物理分析組和科學顧問組。會議最后，科學應用系統(tǒng)還對DAMPESW軟件的研發(fā)狀態(tài)和分工進行討論及確定，為衛(wèi)星成功發(fā)射后的數據處理及分析、科學目標的實施奠定了基礎。完成束流實驗2012年12月，由中國科學技術大學探測與核電子學國家重點實驗室研制的DAMPE粒子探測譜儀初樣鑒定件在在歐洲核子研究中心（CERN）進行了為期20天的束流測試和標定實驗。此次DAMPE譜儀鑒定件在CERN的束流實驗，是整個暗物質粒子探測衛(wèi)星研制中必不可缺少的一環(huán)，其成功完成，驗證了DAMPE譜儀的軟、硬件功能完備正確、系統(tǒng)工作可靠、科學探測數據可信、性能達標；并為正樣飛行件在軌運行物理數據的分析提供了依據，保證了未來科學成果的可信度。

完成測試在軌交付2016年3月17日，我國空間科學系列首發(fā)星暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”圓滿完成三個月的在軌測試任務，順利交付用戶單位。經過三個月的在軌測試，衛(wèi)星的四大科學載荷——塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器功能性能穩(wěn)定，上注至衛(wèi)星的全部指令均正確執(zhí)行，星地鏈路通暢，完成了所有既定的測試項目，衛(wèi)星各項技術指標達到或超過了預期。國外現狀直接探測測量的是暗物質粒子和原子核碰撞后原子核的反沖信號。核反沖信號一般通過測量聲子、光和電荷這三類信號獲得。國際上已經開展的實驗有很多，如Xenon，CoGeNT，CDMS，DAMA等。

成功接收數據成功接收數據中國科學院遙感與數字地球所所屬的中國遙感衛(wèi)星地面站喀什站已于12月20日8時45分成功跟蹤、接收到我國首顆暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”的首軌X頻段下行數據，到8時52分完成任務數據的接收、記錄，并傳輸至中國科學院國家空間科學中心。這一成功接收，標志著“悟空”和地面站星地之間的數據傳輸鏈路正式開通。2015年12月24日17時55分，我國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”在酒泉成功升空后第7天，經衛(wèi)星平臺測試、有效載荷管理器加電測試、科學探測器高壓加電測試后，第一批科學數據成功下傳至中科院國家空間科學中心空間科學任務大廳。接收到的數據顯示，暗物質衛(wèi)星的四大科學載荷：塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器、中子探測器探測到的高能電子和伽馬射線計數與地面預測計數率一致，表明暗物質衛(wèi)星的有效載荷已開始正常工作。暗物質衛(wèi)星自2015年12月20日接收到第一幀數傳數據以來，衛(wèi)星地面支撐系統(tǒng)累計接收數據494軌，累計接收原始數據文件約2.4TB，生成科學數據產品41類，總計個，數據產品總量約5.5TB。截至2016年3月17日，暗物質衛(wèi)星在軌飛行92天，共探測到4.6億個高能粒子，完成了三分之二天區(qū)的掃描。DAMPE的優(yōu)勢DAMPE的優(yōu)勢暗物質粒子探測衛(wèi)星是中國第1顆空間天文衛(wèi)星，它在暗物質間接探測方面具有較強的國際競爭力，大大提升了我國暗物質探測水平。DAMPE的主要科學目標有3個：暗物質間接探測、宇宙線物理和伽馬射線天文。DAMPE已于2015年2月17日發(fā)射升空。在軌運行狀態(tài)穩(wěn)定，已獲取了大量數據。DAMPE可以準確測量宇宙線正負電子的能譜，有望完整測量“超出”的截斷行為。宇宙線正負電子“超出”的起源有暗物質和天體物理過程兩類模型，所預言的“超出”的截斷行為有顯著差異?，F有的數據因為只覆蓋了相對較低的能段部分，還無法進行有效區(qū)分這兩類模型。DAMPE有望準確測量“超出”截斷處的能譜，區(qū)分起源模型。此外，DAMPE還將首次在空間得到1~10TeV的電子宇宙射線的能譜、發(fā)現或限制鄰近的高能電子射線源。DAMPE由于優(yōu)秀的能量分辨率，在伽馬射線線譜的搜尋上有望取得突破。因為對于線譜結構，能量分辨率差的話信號容易淹沒在背景噪聲之中。在高能量分辨率的數據中卻會表現為非?！凹狻钡慕Y構。因此能量分辨率越高，就越有可能在數據中找到線譜結構。DAMPE能夠測量高達100TeV的核子宇宙線。地面宇宙線實驗測量能段偏高，且難以準確區(qū)分宇宙線的各種組分。DAMPE可以實現地面探測和空間探測在能譜上的銜接，并且能夠區(qū)分宇宙線組分。