什么是暗物質(zhì),悟空衛(wèi)星的由來,悟空的目標(biāo)是什么

　　暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)空間科學(xué)的第一顆首發(fā)星。有幾十個(gè)研究單位參加了工作，這里列出了與探測(cè)器相關(guān)的工作單位。

　　在整個(gè)工程的研究階段，有超過200個(gè)科學(xué)家和工程師參與。目前，有超過80個(gè)科學(xué)家在參與數(shù)據(jù)分析。

　　為什么要尋找暗物質(zhì)？

　　現(xiàn)在地面和空間的大量觀測(cè)表明，我們宇宙最主要的部分是暗物質(zhì)和暗能量，人類只弄清了宇宙的百分之五。

　　

　　當(dāng)今宇宙的組分

　　根據(jù)天文觀測(cè)表明，暗物質(zhì)沒有強(qiáng)相互作用，也沒有電磁相互作用，這意味著它既不發(fā)光，也不反射光，也不吸收光，通過光學(xué)原理你找不到它。相互作用很微弱，暗物質(zhì)是可見物質(zhì)的五倍，長(zhǎng)壽命、質(zhì)量大，把暗物質(zhì)的物理性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型里面的所有基本粒子相匹配，發(fā)現(xiàn)沒有一個(gè)基本粒子能符合暗物質(zhì)的物理性質(zhì)。

　　

　　標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有基本粒子與暗物質(zhì)粒子性質(zhì)均不吻合　　這就意味著，如果找到了暗物質(zhì)粒子，肯定會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)模型，導(dǎo)致物理學(xué)發(fā)生巨變，這就是暗物質(zhì)探測(cè)意義這么重大的主要原因。

　　如何尋找暗物質(zhì)？

　　國際上，已經(jīng)在暗物質(zhì)探測(cè)方面耗資數(shù)百億美元。探測(cè)方式包括在加速器上探測(cè)暗物質(zhì)粒子，在地下直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子，和在天上間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子。

　　

　　探測(cè)暗物質(zhì)粒子的三種方法

　　我們的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星屬于空間間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子，主要是到空間去探測(cè)暗物質(zhì)的物理性質(zhì)，弄清楚它的物理本質(zhì)。

　　暗物質(zhì)本身不可見，但暗物質(zhì)湮滅或者衰變了的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生看得見的粒子，通過探測(cè)衛(wèi)星探測(cè)看得見的粒子，可以探測(cè)看不見的暗物質(zhì)粒子，叫間接探測(cè)法。

　　由于暗物質(zhì)粒子湮滅或者衰變時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，所以我們需要一個(gè)高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計(jì)量、低本底的高能粒子望遠(yuǎn)鏡，也就是說要“看得清、測(cè)得準(zhǔn)”。

　　

　　我們的團(tuán)隊(duì)在暗物質(zhì)探測(cè)方面已經(jīng)有20年的歷史：1998年開始提出科學(xué)目標(biāo)，1999年開始在加速器上驗(yàn)證我們的實(shí)驗(yàn)方法，2000年開始花了10年時(shí)間解決了所有的關(guān)鍵技術(shù)，2011年開始花了四年時(shí)間研制了一顆衛(wèi)星，目前這顆衛(wèi)星在天上已經(jīng)工作兩年。

　　研制出了一顆“滿分”衛(wèi)星

　　我們的衛(wèi)星于2011年12月立項(xiàng)，2015年年底發(fā)射。整個(gè)研制階段，我們一共花了四年，經(jīng)歷了三個(gè)階段，研制了四套樣機(jī)。

　　

　　方案階段要論證探測(cè)器方案是否可行，包括衛(wèi)星一體化是不是能行。做的電性件，也就是小型的暗物質(zhì)粒子探測(cè)器，在地面證明能正常工作，然后拿到歐洲去標(biāo)定一下，證明你的方法可行，才能進(jìn)入初樣階段。

　　在初樣階段研制了一套驗(yàn)證機(jī)，和后來真正的探測(cè)器是一樣大的，驗(yàn)證探測(cè)器能正常工作，滿足要求。然后我們才研制一套飛行件到天上去觀測(cè)。

　　最后正樣階段就是做真正上天的探測(cè)器。

　　2015年12月17號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，“悟空”衛(wèi)星成功發(fā)射。衛(wèi)星的名字叫“悟空”，很多人好奇這是怎么來的。這是衛(wèi)星上天前，在網(wǎng)上進(jìn)行的征名。我們都覺得這是一個(gè)很好的名字，希望通過“悟空”的火眼金睛能夠找到暗物質(zhì)這個(gè)“妖魔鬼怪”。衛(wèi)星的英文名字叫Dark Matter ParTIcle Explorer，簡(jiǎn)稱DAMPE。

　　

　　衛(wèi)星上天三個(gè)月以后，科學(xué)院組織了一次評(píng)審，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足評(píng)定要求，整星指標(biāo)評(píng)定為100分。2016年3月，衛(wèi)星交付中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，正式進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段。

　　到目前為止，衛(wèi)星在軌將近兩年，所有的探測(cè)器性能和剛發(fā)射時(shí)一樣，保持了100分的狀態(tài)。

　　“悟空”衛(wèi)星都有哪些目標(biāo)？

　　暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星主要是通過在空間探測(cè)高能粒子，實(shí)現(xiàn)三個(gè)科學(xué)目標(biāo)。第一個(gè)最重要的科學(xué)目標(biāo)是探測(cè)暗物質(zhì)粒子，悟空衛(wèi)星本身就是宇宙線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，所以我們還可以做宇宙射線起源和傳播加速方面的研究，這也是一個(gè)天文方面很重要的科學(xué)問題。

　　在暗物質(zhì)方面，暗物質(zhì)衛(wèi)星要找三個(gè)典型的信號(hào)。一個(gè)是伽馬射線譜線，第二個(gè)是暈狀分布的伽馬射線，第三點(diǎn)是奇異電子能譜結(jié)構(gòu)。這三個(gè)是暗物質(zhì)的特征信號(hào)，它和其它的天體物理構(gòu)成有顯著的區(qū)別，找到這三個(gè)信號(hào)對(duì)研究暗物質(zhì)特別重要。

　　

　　伽馬譜線、暈狀分布伽馬射線、奇異電子能譜結(jié)構(gòu)　　暗物質(zhì)衛(wèi)星是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它測(cè)量天上所有的高能粒子，測(cè)量三個(gè)主要的物理量：能量、方向、電荷，還有衛(wèi)星提供的時(shí)間。

　　最主要的是把天上的高能粒子要分得很清楚，所以我們用“看得清、測(cè)得準(zhǔn)”六個(gè)字來表達(dá)暗物質(zhì)粒子的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　看得清，就是所有的東西都分得很清楚；測(cè)得準(zhǔn)，是所有的物理量要高分辨地測(cè)量，所以關(guān)鍵的物理量在設(shè)計(jì)時(shí)都是兩種獨(dú)立的測(cè)量，每一個(gè)物理量是用兩種探測(cè)器測(cè)量，這樣保證結(jié)果的高可靠性。

　　“悟空”衛(wèi)星的探測(cè)原理是什么？

　　暗物質(zhì)衛(wèi)星是一個(gè)高能粒子和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，從頂部到底部一共有四種探測(cè)器，頂部是塑料閃爍體探測(cè)器，往下依次是硅陣列探測(cè)器、BGO量能器、中子探測(cè)器。

　　

　　每一個(gè)探測(cè)器都有不同的功能，四種探測(cè)器組合到一起，才能實(shí)現(xiàn)高分辨地觀測(cè)高能電子、伽馬射線和宇宙射線粒子。

　　暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星總共有75916路子探測(cè)器，可以說這是我們國家在天上飛行或者上天的電子學(xué)方面最復(fù)雜的一顆衛(wèi)星。

　　塑料閃爍體探測(cè)器是中國科學(xué)院近代物理所研制的，它的主要的功能是測(cè)量入射粒子電荷。我們知道天上的粒子多種多樣，比如伽馬射線不帶電，電荷為0；電子帶負(fù)電-1；正電子+1；質(zhì)子是+1；氫氦鋰鈹硼，一直到鐵，鐵是+26，通過測(cè)量電荷就能把大部分粒子鑒別出來。

　　

　　粒子探測(cè)器的探測(cè)水平如何，可以用電荷分辨水平這樣一個(gè)物理量來描述它。現(xiàn)在電荷分辨水平對(duì)質(zhì)子來講是0.13的電荷，對(duì)于鐵來講是0.32的電荷，這樣就得出了地球上所有的元素天上都有高能粒子。這個(gè)0.13的電荷分辨水平和世界上所有的在軌衛(wèi)星的最高水平相當(dāng)，我們達(dá)到了世界上最高水平。

　　塑料閃爍體探測(cè)器下方是一個(gè)硅陣列探測(cè)器，它的研制單位是中國科學(xué)院高能物理所領(lǐng)導(dǎo)的一支國際合作團(tuán)隊(duì)，包括瑞士的日內(nèi)瓦大學(xué)和意大利的佩魯賈大學(xué)，它的主要功能是測(cè)量粒子的方向和電荷。

　　

　　這個(gè)探測(cè)器的水平可以用位置分辨來表示，探測(cè)器位置分辨的精度達(dá)到了優(yōu)于60微米，上圖中的灰影是計(jì)算模擬的最高水平，和理論結(jié)果吻合的很好，這表明我們的探測(cè)器達(dá)到了國際上最先進(jìn)的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的水平。

　　在硅陣列探測(cè)器下方有一個(gè)叫BGO量能器的探測(cè)器，整個(gè)探測(cè)器1.4噸重，僅BGO量能器就一噸多重。它的主要任務(wù)是測(cè)量入射粒子能量和方向，并鑒別粒子的種類，是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和紫金山天文臺(tái)聯(lián)合研制的。

　　BGO探測(cè)器里有一個(gè)世界上最長(zhǎng)的晶體，有60公分長(zhǎng)。

　　

　　在衛(wèi)星立項(xiàng)之前，我們和硅酸鹽所合作，花了幾年的時(shí)間把這種晶體研制出來，效率高、費(fèi)用低。這是目前在天上飛行最長(zhǎng)的BGO閃爍晶體。

　　

　　那么BGO量能器的水平如何呢？在測(cè)量入射粒子的能量方面，能量分辨率達(dá)到了百分之一，這個(gè)是國際上最高水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在天上飛的其它的衛(wèi)星探測(cè)器。

　　中子探測(cè)器是中科院紫金山天文臺(tái)研制的，主要功能是用來鑒別粒子。我們知道宇宙射線的質(zhì)子、重核都會(huì)和探測(cè)器作用產(chǎn)生大量的次級(jí)中子，而電子和伽馬射線產(chǎn)生的次級(jí)中子數(shù)目要少一點(diǎn)，根據(jù)這一點(diǎn)我們可以來鑒別粒子。

　　

　　上圖中，彩圖的左下角是電子伽馬候選事例，上方是本底。我們可以看到在TeV級(jí)別上，僅僅用中子探測(cè)器就能把它鑒別得很好。這在世界上是第一次用中子探測(cè)器在TeV以上用來鑒別粒子。我們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)很成功的方法。

　　由于國內(nèi)沒有高能粒子加速器，所以我們這個(gè)探測(cè)器研制完成后，還要運(yùn)到瑞士的歐洲核子研究中心，用加速器產(chǎn)生的高能粒子，模擬天上所有的高能粒子來驗(yàn)證我們探測(cè)器的性能、標(biāo)定探測(cè)器。我們總共花了6個(gè)月的時(shí)間，測(cè)試了從質(zhì)子、電子到伽馬射線、重核等等，來驗(yàn)證探測(cè)器的性能，測(cè)試表明所有指標(biāo)都滿足后續(xù)科學(xué)需求。

　　在探測(cè)器完成以后，為了保證交付衛(wèi)星的時(shí)候75916路子探測(cè)器都正常工作，我們通過地面的宇宙線粒子又進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，證明所有的探測(cè)器、軟件、功能都符合要求，才進(jìn)行了在軌交付。

　　“悟空”衛(wèi)星的在軌運(yùn)行狀況怎么樣？

　　“悟空”衛(wèi)星于2015年年底發(fā)射，衛(wèi)星的重量1850公斤，探測(cè)器重量是1415公斤，感謝中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的工程師和領(lǐng)導(dǎo)們的支持，研制了這個(gè)高的載荷重量比的探測(cè)器。

　　

　　衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是三年，但是根據(jù)現(xiàn)在的測(cè)試結(jié)果，所有的探測(cè)器工作完美，我們預(yù)計(jì)衛(wèi)星真正在天上服役的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的設(shè)計(jì)壽命。

　　衛(wèi)星每天繞地球15圈，平均每秒鐘獲得60個(gè)高能粒子，每天獲得500萬的高能粒子。發(fā)射到現(xiàn)在將近兩年，衛(wèi)星十分穩(wěn)定，像塑料閃爍體探測(cè)器、BGO量能器、中子探測(cè)器，它的穩(wěn)定性都優(yōu)于0.5%，基本上隨著時(shí)間都沒變化。

　　

　　悟空衛(wèi)星在天觀測(cè)情況　　“悟空”衛(wèi)星的研制有多難？

　　在研制衛(wèi)星的過程中，最大的挑戰(zhàn)是粒子鑒別。

　　這顆衛(wèi)星和國際上其它的衛(wèi)星不一樣的是，我們是要觀測(cè)所有的高能粒子，而國際上的其它衛(wèi)星功能都是專門的，比如伽馬射線望遠(yuǎn)鏡只觀測(cè)伽馬射線，高能粒子探測(cè)器只觀測(cè)帶電粒子。但我們要觀測(cè)所有的粒子，不光是伽馬射線，還觀測(cè)帶電粒子。

　　天上的粒子情況很復(fù)雜，最大的情況就是每一種粒子的流量完全不一樣。以高能宇宙射線的主要成分——質(zhì)子來說，它的流量要比電子高1000倍，要比伽馬射線高100萬倍，因此你要觀測(cè)伽馬射線必須要把質(zhì)子本底至少降低2000萬倍。打個(gè)比方來講，在一個(gè)2000萬的大城市要去尋找20個(gè)人，不能弄錯(cuò)一個(gè)人，這是一個(gè)難度很大的事。

　　但我們的探測(cè)器由于一些特殊的設(shè)計(jì)原理和工程師們的工程措施，讓工作幾乎完美了。

　　

　　上圖是原始數(shù)據(jù)，我們的電子和質(zhì)子區(qū)分得很清楚。　　根據(jù)這張圖，我們可以計(jì)算出來本底只占2.3%信號(hào)流，這是世界上堪稱效率最高、本底最低的探測(cè)器，既讓我們測(cè)得準(zhǔn)，又讓我們看得清，因?yàn)槊糠N粒子都分布得很清楚，要看得清。

　　

　　上圖是我們獲得的伽馬射線圖。這上面有100多個(gè)天體的伽馬射線源。用這張大圖表明的是，我們探測(cè)器的粒子鑒別本領(lǐng)很完美。

　　為什么這么說？剛才我們提到，伽馬射線的流量只有宇宙射線質(zhì)子流量的百萬分之一，你要探測(cè)伽馬射線，必須要把宇宙射線本底減掉。只要一個(gè)探測(cè)器或者小探測(cè)器不工作，這個(gè)宇宙射線帶電粒子會(huì)從壞的這個(gè)小探測(cè)器吸入進(jìn)來。宇宙射線的分布是各向同性的，每個(gè)地方都有。但伽馬射線的分布是一個(gè)銀河系的盤狀，你可以很清楚地看到中間一個(gè)盤狀，這就證明我們的伽馬探測(cè)很準(zhǔn)確，本底很低，說明我們的粒子鑒別很有效果。

　　第二個(gè)挑戰(zhàn)，是100萬倍的動(dòng)態(tài)范圍。

　　“悟空”衛(wèi)星希望通過觀測(cè)GeV到10個(gè)TeV以上的高能電子和伽馬射線來探測(cè)暗物質(zhì)粒子，要求單個(gè)探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到100萬倍。

　　

　　這個(gè)是個(gè)物理概念，簡(jiǎn)單來講，就是把“悟空”衛(wèi)星的“眼睛”作為人的眼睛來看的話，你要看到一個(gè)2米高的籃球運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)還能看到他身上最小的細(xì)胞，一般來講是只有2微米的血小板。這是一件難度很大的事情。

　　我們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題，基本上花費(fèi)了十年時(shí)間。最后得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)幾位退休的老教授和國內(nèi)相關(guān)單位的支持，解決了這個(gè)問題。

　　為了電路板滿足100萬倍的動(dòng)態(tài)范圍，這兩位教授花費(fèi)了兩年的時(shí)間，得到了30個(gè)不同版本的電路，最后選擇了一個(gè)最好的電路用在衛(wèi)星上。后面光電倍增管讀出的線路板只有1塊硬幣的大小。不光這樣，測(cè)試結(jié)果也要滿足要求，所以我們?cè)诘孛孀龃罅康膶?shí)驗(yàn)，在加速器上做大量的實(shí)驗(yàn)，包括在空間做標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明動(dòng)態(tài)范圍和信息幾乎完美，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

　　所以，總結(jié)一下：“悟空”是世界上第一次在空間觀測(cè)TeV上的波段，這就相當(dāng)于打開了宇宙觀測(cè)的新窗口，因?yàn)椴煌牟ǘ畏从沉瞬煌奈锢順?gòu)成。

　　打個(gè)比方，你用眼睛去看普通相機(jī)拍出來的照片，是一個(gè)樣子；你到醫(yī)院照X光，看到的是另外一幅圖像；用微波照，又是另外一幅圖像。不同的圖像反映了不同的物理構(gòu)成，都是你，但反映了你不同的情況。

　　所以，打開了新的觀測(cè)窗口以后，我們能夠看到新的物理現(xiàn)象。而且，打開窗口不光是要看，還要看得清、測(cè)得準(zhǔn)。剛剛提到，我們的衛(wèi)星有世界上效率最高、本底最低的探測(cè)器，這樣證明我們看得清；實(shí)現(xiàn)電荷測(cè)量、能量測(cè)量、方向測(cè)量的指標(biāo)，基本能夠達(dá)到了國際最領(lǐng)先的水平了，這表明我們測(cè)得準(zhǔn)。