暗物质粒子探测卫星 (悟空号)

暗物质粒子探测卫星(英文:Dark Matter Particle Explorer,缩写:DAMPE,被命名为“悟空”)是中国科学院空间科学战略先导专项的五颗卫星任务之一。2015年12月17日,在酒泉卫星发射基地由长征二号丁运载火箭发射。DAMPE是一个空间望远镜,它可以探测高能伽马射线、电子和宇宙射线。它由一个塑料闪烁探测器、硅微条、钨板、电磁量能器和中子探测器组成。DAMPR的主要科学目标是以更高的能量和更好的分辨率来测量宇宙射线中正负电子之比,以找出可能的暗物质信号。它也有很大潜力来加深人类对于高能宇宙射线的起源和传播机制的理解,也有可能在高能γ射线天文方面有新发现。有望在物理学前沿带来重大突破。2017年11月30日,中国发布首颗暗物质探测卫星“悟空”的首批成果:发现太空中的反常电子信号。

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    中文名
    暗物质粒子探测卫星
    外文名
    Dark Matter Particle Explorer
    缩    写
    DAMPE
    命    名
    悟空
    所属国家
    中华人民共和国
    升空时间
    2015年12月17日
    科学目标
    寻找暗物质存在证据
    首席科学家
    常进

    1简介

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    暗物质粒子探测卫星想象图暗物质粒子探测卫星想象图

    暗物质粒子探测卫星是中国科学卫星系列的首颗空间科学卫星该项目计划在500km的卫星轨道上探测高能宇宙线粒子能谱和空间分布,用来寻找暗物质粒子存在的证据。

    暗物质是宇宙中由万有引力效应明确证实其存在、但却没有通过电磁波被直接观测到的物质,长久以来是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。

    这颗暗物质粒子探测卫星是中国空间科学卫星系列“十二五”首发星,也是中科院空间科学先导专项中首批确定的五颗科学卫星之一,它能够通过高空间分辨、宽能谱段观测高能电子伽马射线寻找和研究暗物质粒子,同时将在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展。它是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。

    2命名

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    暗物质粒子探测卫星公开征名活动自2015年9月29日正式启动至10月31日作品提交截止,共收到了有效名称方案32517个,其中网络征名途径收到征名方案32098个,书面方式提交方案419个。之后在数据统计基础上,经过专家评委投票,由中国科学院批准,将暗物质粒子探测卫星正式命名为“悟空”。

    悟空是中国古典名著《西游记》中齐天大圣的名字,“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,犹如暗物质粒子探测卫星的探测器,可以在茫茫太空中,识别暗物质的踪影。

    3研发背景

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    “暗物质粒子探测”卫星的太阳电池翼进行展开试验“暗物质粒子探测”卫星的太阳电池翼进行展开试验

    在人类的太空探索中,天文卫星的问世使天文学产生了第三次飞跃,因为它改变了以往坐地观天的传统,摆脱了大气层的封锁,可在全波段范围内对宇宙空间进行详细的观测。自从1960年世界第一颗天文卫星上天以来,可见光天文卫星、X射线天文卫星γ射线天文卫星红外天文卫星紫外天文卫星等各类天文卫星层出不穷,其观测成果极大地促进了天文学的发展。

    紫金山天文台研究员常进介绍,天文观测表明,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。此前,他与外国同行合作发现一些不明来历的高能电子可能是暗物质粒子湮灭的证据。

    为了进一步追寻暗物质的踪迹,常进的科研团队提出了研制“暗物质粒子探测卫星”计划,得到了科技部和中科院的支持。常进介绍,在茫茫宇宙中寻找暗物质并非易事,传统方法是采用大型探测器。如诺贝尔奖获得者丁肇中教授研制的阿尔法磁谱仪2号,探测器重达7吨。而中国正在研制的“暗物质粒子探测卫星”,耗资少,重量轻,希望能在暗物质探测领域取得突破。

    4研发进程

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    暗物质粒子探测卫星工程分为立项论证、工程研制、在轨运行三个大阶段。2011年为立项论证,2012年至2015年为工程研制,2015年至2018年在轨运行。

    “暗物质粒子探测卫星”计划已被列入中科院“空间科学战略性先导科技专项”,由紫金山天文台暗物质与空间天文研究部和中国科技大学、中科院兰州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等合作研发。目前这颗卫星雏形初现,重约1.4吨,浑身布满线头,里面装了许多科学仪器。其中,最重要的部分是一块探测板,进行空间探测时它将会把海量的空间数据及时发送回研究人员的电脑中。

    据了解,“暗物质粒子探测卫星”正式升空前,科研人员将要送它到欧洲进行一系列反复实验,最终能否探测到暗物质,预计要到2016年才能见分晓。

    5卫星结构及组成

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    结构

    暗物质粒子探测器有着类似“三明治”的结构,有效载荷质量1.4吨,整星质量1.9吨,载荷平台比达到了2.8,根据载荷特点,卫星借鉴哈勃望远镜的设计理念,采用以载荷为中心的设计方案,探测器位于整星中心,电子学机箱及平台各单机均布于探测器周围的隔板上,是国内首次采用。

    组成

    暗物质粒子探测卫星由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器四个子载荷联合执行探测任务,层层叠加,安装在1个立方米的空间内,技术难度超过了中国目前所有的上天高能探测设备。

    DAMPE由一个塑料闪烁探测器(PSD)、硅微条(STK)、钨板、电磁量能器(BGO)和中子探测器组成。PSD用作反符合,由两层塑料闪烁体条组成;STK由6个径迹双层,每个由正交摆放的两个单面硅条组成;有三层钨板厚度分别为1cm、2mm、2mm,,插在硅微条的第2、3、4层前面,用作光子转换;BGO有14层,每层22根,相邻两层正交排列,用来测量射线的能量;中子探测器加在量能器的底部。BGO量能器和STK总共大约33个辐射长度,是空间里最深的量能器。 

    DAMPE可以以前所未有的灵敏度和能量范围探测电子,光子和宇宙射线(质子和重离子)。对于电子和光子,探测范围是5GeV-10TeV,在800GeV的能量分辨率为1%。对于宇宙射线,探测范围为100GeV-100TeV能区,在800GeV的能量分辨率优于40%。对于电子光子,几何因子是约0.3 mSR,对于宇宙射线大约0.2 mSR。100 GeV的角分辨率为0.1°

    6探测方法

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    探测宇宙线分为地面探测和空间探测,两者各有千秋。后者的优点是能测量低能宇宙线,并且能区分宇宙线的种类,不足之处是受技术难度和费用的限制,目前难以测量高能区的宇宙线,而前者反之,所以它们之间可以取长补短。

    现在,通常有三种探测机制了解暗物质的本质:地面直接探测、加速器实验探测和太空间接探测。其中,地面直接探测的实验至今对暗物质存在的参数空间给出了一定的限制;地面加速器上的实验目前没有明确地给出暗物质搜寻的结果;太空间接探测实验看到了一些暗物质粒子存在的迹象,但仍需进一步的数据积累以及更高能量的精确测量,以确定这些信号究竟是来自于暗物质或是其他天体物理过程。

    测量宇宙线粒子能量的探测器一般分量能器和磁谱仪两种,其中量能器用于测量宇宙线在探测器中产生的簇射磁谱仪用于测量宇宙线在其磁场中的偏转。中国“暗物质粒子探测”等天文卫星使用量能器探测暗物质;“国际空间站”上的α磁谱仪2号等使用磁谱仪探测暗物质。

    7探测功能

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    暗物质粒子探测卫星观测能短范围为5GeV-10 GeV,能量分辨率优于1.5%,超过国际上所有同类探测器。

    在电子探测方面,探测器在轨观测6个月,可以观测到月10000个高于300GeV的电子,是南极气球项目ATIC的10倍,是欧洲PAMELA项目的50倍,与目前在轨运行的FERMI卫星相当。

    伽马射线观测方面,探测器在伽马射线能段的灵敏度远高于EGRET,AMS等探测器。与FERMI相比,具有高能量分辨的特点,在1TeV处能力分辨本领要比FERMI高20倍以上,暗物质粒子探测卫星整体谱线探测能力要比FERMI至少要高10倍以上。

    宇宙射线重核探测方面,探测器在轨观测3年,可以探测到约250个高于1 TeV(每核子)的碳核,对B/C比的测量可以达到TeV以上,超过目前国际上所有实验。

    8科学目标

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    “暗物质粒子探测”卫星力学振动试验“暗物质粒子探测”卫星力学振动试验

    “暗物质粒子探测”卫星的科学目标是间接探测暗物质,以及研究宇宙线物理和γ射线天文。它对高能粒子的探测方法与α磁谱仪2号不同。它虽然不能像α磁谱仪2号那样能探测粒子在磁场中的变化,区分粒子的电极性,但是测量的能量谱段是最高的,可以探测能量极高的粒子。

    暗物质相互碰撞并湮灭时会产生明物质,其能量很高。“暗物质粒子探测”卫星探测的是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子,这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。

    如果没有暗物质,通常宇宙中高能粒子的分布是逐渐下降的,因此,如果在太空中确定某一个方向观测,从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。要想观测到高能谱段,就必须发射天文卫星,探测器要更大,才能看得更加清楚;而且在太空中受到的干扰最小,天文卫星飞行2至3年,能够累计很多数据,就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是,需要解释为什么会这样。假如探测器什么都没有看到,至少也可以证明这种关于暗物质的理论不成立。

    “暗物质粒子探测”将进行巡天观测。经过1至2年的巡天后,如果对某一方向的粒子特别感兴趣,发现新的物理现象,会调整探测器,让它集中观测这个方向。

    9未来探测

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    未来,中国还将用装在空间站上的“高能宇宙辐射探测设施”(HERD),重点探测暗物质湮灭的γ射线谱线,它将有可能测量到暗物质湮灭的确凿无疑的信号。中国之所以在发射了“暗物质粒子探测卫星”还要搞“高能宇宙辐射探测设施”,主要是为了增加搜寻暗物质的手段和扩大搜寻参数空间,各实验互相补充。“暗物质粒子探测”和“高能宇宙辐射探测设施”的先后实施,将使得中国在这个领域保持领先并且做出重大科学发现。

    10发射升空

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    20151217日,中国把名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空,这是人类在探索宇宙核心秘密的进程中迈出的又一重要步伐。

    “悟空”发射升空“悟空”发射升空

    在中国西北荒漠中的酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭背负着暗物质探测卫星在霞光初露的背景下腾空而起。十多分钟后,“悟空”成功抵达500公里高的太阳同步轨道。

    暗物质粒子探测卫星“悟空”是中科院空间科学战略性先导科技专项支持下的中国科学系列卫星的首发星,未来还将发射实践十号返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星和硬X射线调制望远镜卫星等。

    “悟空”将在头两年对全天扫描,之后根据探测结果,对暗物质最可能出现的区域定向观测。首批科学成果有望在卫星发射6个月至1年后发布。

    之前,西方科学家已经通过阿尔法磁谱仪等装置探索暗物质,取得了一些成果。中国也在四川建立了世界最深的暗物质地下实验室。

    11成功获取数据

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    20151224日下午555分,我国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在升空后第7天,成功获取首批科学数据并下传至中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅

    首批科学数据下传至中科院首批科学数据下传至中科院

    暗物质卫星首席科学家常进介绍,接收到的数据显示,暗物质卫星的塑闪阵列探测器硅阵列探测器BGO量能器中子探测器等四大科学载荷探测到的高能电子和伽马射线计数与此前地面预测计数率一致,表明暗物质卫星的有效载荷已开始正常工作

    据介绍,在地面接收数据前,卫星经过了平台测试有效载荷管理器加电测试科学探测器高压加电测试等程序24日下午555,卫星飞行至114圈次时,地面支撑系统密云站成功接收到卫星首批探测到的科学数据,并将数据实时传送到位于怀柔的地面支撑系统空间科学任务大厅

    在后续工作中,暗物质卫星有效载荷还要经历2个月的在轨测试和标定,之后正式交付中科院紫金山天文台负责的科学应用系统进入在轨运行阶段,开始为期2年的巡天观测和1年的定向观测

    我国暗物质粒子探测卫星“悟空”具有先进的科学探测指标,是迄今为止观测能段范围最宽,能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器在三年的设计寿命中,暗物质卫星将通过高空间分辨宽能谱段观测高能电子和伽马射线寻找和研究暗物质粒子,同时有望在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展

    12发布首批成果

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    20171130日,国际权威学术期刊《自然》在线发表了中国首颗暗物质探测卫星“悟空”的首批成果:发现太空中的反常电子信号。

    “悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说,电子宇宙射线的正常能谱变化应是一条平滑曲线。根据“悟空”积累的观测数据,科学家们发现在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段突然出现剧烈波动,反映在图上是一个“尖峰”。

    中国科学院院士吴岳良在做评议。中国科学院院士吴岳良在做评议。
    常进说,这一波动此前从未被人类观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现。不过,根据现有探测数据量和理论模型,还无法断定这一现象是否就是暗物质踪迹。

    当前主流观点认为,暗物质约占宇宙质量的27%,它不发射、吸收、散射光子,也不参与电磁作用,甚是“神秘”。暗物质粒子相互湮灭或自身衰变时可以产生一些稳定的可观测粒子,人们只能观测这些“蛛丝马迹”,反推暗物质的存在。

    中国科学院院士吴岳良说,“悟空”首批成果中令人兴奋的是发现了100多个“奇异”电子,这些“奇异”电子信号的来源或是来自暗物质湮灭,或是来自超新星遗迹或脉冲星,“从目前来看,来自前者的可能性似乎更有说服力”。

    中国科学院院长白春礼表示,近年不断涌现的科学成果表明,中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。他说,“悟空”用中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术,实现了国际上最精确和最高效的探测。

    暗物质探测卫星“悟空”效果图。中科院 供图暗物质探测卫星“悟空”效果图。中科院 供图

    常进表示,计划在2018年年底公布“悟空”的第二批科研成果。他们正在持续收集数据,确证那个“尖峰”的精细结构,力求在粒子物理或天体物理领域有开创性发现。

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    • 更新时间:2017-11-30
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