“悟空”號暗物質粒子探測衛星

“暗物質粒子探測衛星”計劃屬於中國科學院“空間科學戰略性先導科技專項”，由中國科學院紫金山天文台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。

“悟空”是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星，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佈規律。

主要目的：尋找暗物質粒子，研究暗物質特性與空間分佈規律，探尋宇宙射線起源並觀測高能伽馬射線，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和2mm，分別插在硅微條的第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：區分電荷。電子和光子打進來是有區別的。

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。

中子探測器：區分質子和電子。

同時，不同能量產生的簇射的大小也不同。

DAMPE可以以前所未有的靈敏度和能量範圍探測電子，光子和宇宙射線（質子和重離子）。對於電子和光子，探測範圍是5GeV-10TeV，在800GeV的能量解析度為1%。對於宇宙射線，探測範圍為100GeV-100TeV能區，在800GeV的能量解析度優於40%。對於電子和光子，幾何因子是約0.3mSR，對於宇宙射線大約0.2mSR。100 GeV的角解析度為0.1°。

一是暗物質間接探測，也是最主要的目標；

二是尋找宇宙射線的起源；

三是伽馬射線天體物理。

1.什麼是高能宇宙射線？

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·漢斯發現。他製作了一個電離室，用於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製作電離室，漢斯的創新之處在於，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。

這說明帶電粒子並不是地球產生的，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。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.為什麼測量高能宇宙射線有可能發現暗物質？

宇宙線的源頭一般認為是超新星爆發，而如果暗物質存在的話，暗物質湮滅的時候產生的宇宙線，就成為了宇宙線的額外來源，這時候探測到的宇宙線會不同於標準模型，多出來的一部分可能來源於暗物質湮滅或者衰變，對這多出的一部分進行探測，就是暗物質的間接探測。由諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中主持的AMS項目中的暗物質粒子探測衛星AMS-2，就是應用的這一原理。中國的暗物質粒子探測衛星也是一個宇宙線探測器，就是應用這類機制來探測暗物質。

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，必須藉助於磁場才能實現。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《西遊記》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”已於2015年2月17日發射升空，是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的空間探測器，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。目前在軌運行狀態穩定，數據源源不斷地獲取了大量數據。DAMPE是以中國為主，瑞士和義大利參與共同研發完成的。DAMPE主要探測電子宇宙射線、高能伽瑪射線和高達Pe V的核素宇宙射線。它具有能量解析度高、測量能量範圍大和本底抑制能力強三大優點。DAMPE的性能優勢和它的結構設計緊密相關。暗物質粒子探測衛星的探測器由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分不同核素，也有可區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，經打拿級放到後讀出。塑閃陣列探測器主要由蘭州近代物理研究所負責研製。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。

同時在第1/2、2/3和3/4層之間各有一塊鎢板。高能光子在穿過鎢板時以較高的概率轉化為正負電子對。所以光子和電子在量能器中的信號是一致的。如果在第一層沒有記錄到帶電粒子的信號，但在下面幾層記錄到信號，則入射粒子為伽瑪射線。硅陣列探測器是由中國科學院高能物理研究所、日內瓦大學、佩魯賈大學等單位共同研製的。BGO量能器是探測器最核心的組成部分，其功能是測量宇宙線粒子的能量，並可區分宇宙線中電子與質子。BGO晶體是一種無色透明的沒有激活劑的純無機閃爍體，是核物理實驗中常用的一種閃爍體材料。暗物質粒子探測衛星所使用的BGO晶體是由上海硅酸鹽研究所專門設計開發的。BGO量能器的數據讀出系統有高達8萬路的電子學信號通道。

中子探測器測量的是宇宙線粒子在探測器上面3層中產生的次級中子。高能電子主要是電磁簇射，產生的中子數目很少，但是質子和其他核素還會發生強子簇射，從而產生大量的高能中子。根據這種效應，可以進一步區分宇宙線的電子和質子。中子探測器主要由中國科學院紫金山天文台負責研製。

與國際上其它暗物質探測衛星相比，有三個顯著優勢。

一是能夠測量的宇宙線的能量非常高，可以測量到104個GeV；

二是能量解析度高，可以達到1%左右，測得比較准；

三是測量能量的本底比較低，也就是區分電子和質子的能力非常強。

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%，暗能量佔70%，通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量5%。此前，他與外國同行合作發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製“暗物質粒子探測衛星”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並非易事，傳統方法是採用大型探測器。如諾貝爾獎獲得者丁肇中教授研製的阿爾法磁譜儀2號，探測器重達7噸。而中國正在研製的“暗物質粒子探測衛星”，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。暗物質粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領域。包括中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目前所有的上天高能探測設備。

此次發射的暗物質衛星全部由中科院研製、生產。工程2011年立項，造價1億美元，遠低於國外同類探測器。衛星將在軌運行3年以上，首批科學成果有望在6個月至1年後發布。

用於發射的長征二號丁運載火箭由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術研究院抓總研製，這是長征系列運載火箭的第221次飛行。

中科院國家空間科學中心主任吳季表示，暗物質粒子探測衛星的成功發射和在軌運行將有望推動我國科學家在暗物質探測領域取得重大突破，對促進我國空間科學領域的創新發展具有重大意義。

除暗物質衛星外，我國科學衛星系列還將陸續發射量子科學實驗衛星、實踐十號返回式科學試驗衛星、硬X射線調製望遠鏡衛星。

神奇的暗物質

暗物質是怎麼被發現的？20世紀30年代初，美國加州理工學院的天體物理學家茲威基第一個發現，宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片，如果不是存在一種神秘而不可見的物質，星系早就分崩離析。

科學家把這種看不見的神秘物質稱為“暗物質”。到了20世紀70年代，多種天文觀測，比如盤星系的旋轉曲線、星系團X射線觀測、引力透鏡等都顯示了暗物質的存在。但直到現在還沒有確定的暗物質信號被探測到。

暗物質這一概念是瑞士天文學家Fritz Zwick提出的。他在研究Coma星系團的時候發現根據維里定理計算出的星系團的總質量要遠大於根據發光度計算出來的星系團質量，他推測星系團中存在著大量不發光的物質，並稱之為暗物質。20世紀70年代，美國天文學家Vera Rubin等測量星系的旋轉曲線，也就是星系中的物質繞中心旋轉的速度與到中心距離的關係，發現大半徑處的旋轉速度遠大於發光物質給出的理論預期。如果引力理論正確的話，就需要引入看不見的物質來提供更大的引力以束縛住速度如此大的物質。儘管暗物質粒子的確切物理性質仍有待進一步研究，一般認為暗物質粒子具有如下性質：電中性、大質量（比質子重許多）、長壽命（顯著長於宇宙的壽命137億年）、具有正常引力相互作用。暗物質粒子沒有電磁相互作用和強相互作用，但可能具弱相互作用。已知的粒子中不存在滿足這些性質的粒子，這意味著暗物質粒子的研究極可能帶來物理學的革命性突破。

雖然科學家們還不知道暗物質究竟由什麼構成，但通過觀測它如何影響普通物質，並模擬它的引力效應，還是對它有了一些了解：

宇宙中95%以上是暗物質和暗能量，暗物質佔26.8%。暗物質不發光、不發出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學或電磁觀測設備直接“看”到。

暗物質難以探測，還在於它密度小、速度快，難以捕捉。科學家測算，暗物質粒子每秒的運動速度為220千米，是56式半自動步槍子彈出膛速度的300倍。

暗物質應該來自於宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個時刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常強，它們劇烈碰撞，在這種相互作用下，包括暗物質在內的各種各樣的物質由此產生。

宇宙的結構與暗物質有關。由於暗物質和它自己以及其他物質不發生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結構的首要物質類型。暗物質播下了宇宙絲狀結構的種子，隨後可見物質才聚集在一些由暗物質建立起來的引力點上，並最終形成了星系。

暗物質對生命來說是絕不可少的。假如沒有暗物質的引力作用，我們所在的銀河系將永遠無法在宇宙大爆炸后的膨脹過程中坍縮形成。那樣的話，現在既沒有太陽，也沒有地球，更沒有你我……

中科院國家空間科學中心主任吳季說，由於人類還不了解暗物質，不得已才稱它們“暗”，一旦發現了它們是什麼，並且隨著研究的深入，新發現的粒子就會有很多名字。“暗”只是階段性的名字，也充分體現了人類還不了解它。

對於找到暗物質，科學家已經等待了數十年。通過一系列實驗和觀測，科學家們或許距離破解暗物質這個宇宙謎團只有一步之遙了。

現階段主要有3種暗物質探測方案：直接探測、間接探測和對撞機探測。直接探測尋找的是暗物質粒子和核子碰撞產生的信號。這類實驗因為要屏蔽大氣中帶電粒子的影響，一般在地下實驗室進行，其優點是可以在地面進行，造價較低。中國有世界上最深的地下實驗室——錦屏地下實驗室，因此中國在暗物質直接探測領域也取得了很大的成就，清華大學和上海交通大學各自獨立進行暗物質直接探測實驗項目。對撞機探測主要是尋找高能粒子對撞產生的無法被探測器探測的暗物質粒子引發的能量動量不守恆過程。這類探測都是在大型高能對撞機上進行，造價高昂，技術難度大。間接探測主要通過研究探測銀河系內的暗物質粒子湮滅產生的普通粒子，信號在宇宙線能譜上變現為各種“超出”或者“鼓包”。因為大氣對宇宙線的屏蔽作用，這類實驗需要發射空間探測器在大氣層進行探測。國際上正在運行的空間科學衛星有費米大天區望遠鏡（Fermi-LAT），阿爾法磁譜儀2（AMS-02）、電子對望遠鏡（CALET）和中國的暗物質粒子探測衛星DAMPE。

成功發射2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛星發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星“悟空”發射升空，衛星順利進入預定轉移軌道。此次發射任務圓滿成功，標誌著我國空間科學研究邁出了重要一步。

“悟空”肩負著去太空尋找暗物質存在證據的使命，它擁有“火眼金睛”，觀測能段、能量解析度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雲”。目前，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星公開徵名活動由人民網和中國科學院國家空間科學中心、中國科學院紫金山天文台和共同主辦，自9月底上線以來，共收到有效名稱方案32517個。在數據統計的基礎上，經過專家評委投票，由中科院批准，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星正式命名為“悟空”。

將暗物質粒子探測衛星命名為“悟空”，符合將科學衛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。這樣做可以藉助傳統文化，提升我國公眾科學素養，吸引青少年熱愛科學、探索未知。悟空是中國古典名著《西遊記》中齊天大聖的名字，“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台主辦的第四屆暗物質探測衛星（DAMPE）研討會在南京召開。來自DAMPE主要研製單位中國科學院紫金山天文台、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、義大利國家核物理研究所、佩魯賈大學、巴里大學、薩倫託大學以及美國麻省理工學院等單位50餘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星科學合作組成立。科學合作組在DAMPE科學應用系統組織下，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）和執行委員會（EB），下設運行組、軟體組、技術組、物理分析組和科學顧問組。會議最後，科學應用系統還對DAMPESW軟體的研髮狀態和分工進行討論及確定，為衛星成功發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製的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星研製中必不可缺少的一環，其成功完成，驗證了DAMPE譜儀的軟、硬體功能完備正確、系統工作可靠、科學探測數據可信、性能達標；並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星暗物質粒子探測衛星“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定，上注至衛星的全部指令均正確執行，星地鏈路通暢，完成了所有既定的測試項目，衛星各項技術指標達到或超過了預期。

2020年12月17日，暗物質粒子探測衛星“悟空”科研團隊17日宣布，鑒於衛星運行情況良好，項目團隊已與各保障部門商定，再次將其“服役期”延長1年。

中國科學院遙感與數字地球所所屬的中國遙感衛星地面站喀什站已於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，並傳輸至中國科學院國家空間科學中心。這一成功接收，標誌著“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，我國科學衛星系列首發星—暗物質粒子探測衛星“悟空”在酒泉成功升空后第7天，經衛星平台測試、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，表明暗物質衛星的有效載荷已開始正常工作。

暗物質衛星自2015年12月20日接收到第一幀數傳數據以來，衛星地面支撐系統累計接收數據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110606個，數據產品總量約5.5TB。截至2016年3月17日，暗物質衛星在軌飛行92天，共探測到4.6億個高能粒子，完成了三分之二天區的掃描。

超大質量黑洞是宇宙中廣泛存在的一類天體，它們的質量是太陽的幾十萬至數百億倍，幾乎在每個大星系、包括人類身處的銀河系中心，都存在至少一個這樣的黑洞。有些巨型黑洞在宇宙極早期就已經存在，它們如何形成、演變、反作用於星系，至今仍是未解之謎。但人類研究這些碩大的“宇宙妖怪”並非毫無辦法。

科學家已經發現，有一部分超大質量黑洞並非一直悄無聲息，而會肆無忌憚地“大吃大喝”：它們吞噬的物質聚集形成吸積盤、並且產生強有力的噴流，使黑洞表現得異常明亮。這一類天體也被稱作活動星系核，它們正是人類解開黑洞之謎的鑰匙。

CTA 102就是一個著名的活動星系核。它於1963年被首次發現，其黑洞質量約為太陽的8.5億倍，與太陽系距離約為80億光年。科學記錄顯示，CTA 102上一次比較劇烈的活動發生在2012年。

我國於2015年底發射的暗物質粒子探測衛星“悟空”，主要目標就是通過空間觀測宇宙射線和伽馬射線，來探索宇宙暗物質和類似黑洞這樣的宇宙“妖怪”。紫金山天文台暗物質衛星團隊介紹，自今年10月以來，“悟空”頻繁捕捉到來自CTA 102的伽馬射線輻射。特別是11月23日以後，“悟空”記錄到明顯增強的伽馬射線爆發現象，這一爆發在12月16日達到峰值。記錄到的最高光子能量約620億電子伏特，相當於靜止質子等效能量的66倍。

這一觀測結果也得到其他設備的印證。紫金山天文台1米近地天體巡天望遠鏡也觀測到CTA 102的此輪爆發。根據望遠鏡記錄，今年6月18日至12月20日之間，CTA 102亮度持續增強。

“CTA 102是‘悟空’捕獲的第一個‘小妖’，我們將持續監測它的活動。相信藉助‘悟空’的火眼金睛，未來還能‘抓獲’更多的‘宇宙妖怪’，為人類認識宇宙萬象提供有力的幫助。”暗物質衛星項目團隊成員徐遵磊說。

一年多來，“悟空”發回了19億個粒子數據。其中，5GeV到10TeV區間的高能電子數量已經超過100萬個。

2017年11月30日，國際權威學術期刊《自然》在線發表，暗物質粒子探測衛星“悟空”有充分數據證實，在太空中測量到了電子宇宙射線的一處異常波動。這一波動此前從未被觀測到，意味著中國科學家取得一項開創性發現，且有可能與暗物質相關。

2021年5月19日，中國科學院紫金山天文台在南京發布“悟空”號暗物質粒子探測衛星第三批科研成果。利用“悟空”號的“火眼金睛”，科研人員獲得了宇宙射線氦核的精確能譜測量最新結果。

2017年12月底，“悟空”號衛星出現的一場意外狀況，導致“悟空”號接收到的數據量突然銳減，經過30名隊友19個小時的緊張忙碌，“悟空”號恢復正常。