暗物质粒子探测卫星

暗物质粒子探测卫星世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的探测卫星01卫星简介科学目标性能与结构卫星组成探测原理优势目录030502040607研发背景成功接收数据观测成果研发历程DAMPE的优势目录0901108010基本信息暗物质粒子探测卫星（英文：DarkMatterParticleExplorer，缩写：DAMPE）是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一，是世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。DAMPE是一个空间望远镜，有效载荷质量1410公斤，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。DAMPE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。2015年12月17日8时12分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强等优势，将中国的暗物质探测提升至新的水平。中科院紫金山天文台2016年12月29日通报，暗物质粒子探测卫星“悟空”近两个月内频繁记录到来自超大质量黑洞CTA102的伽马射线爆发。这是暗物质卫星科研团队自卫星上天后首次发布观测成果。“悟空”观测到的现象表明，黑洞CTA102正经历新一轮活跃期。卫星简介卫星简介暗物质粒子探测卫星(5张)“暗物质粒子探测卫星”计划属于中国科学院“空间科学战略性先导科技专项”，由中国科学院紫金山天文台暗物质与空间天文研究部、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所和中国科学院高能物理研究所等合作研发。

“悟空”是世界上观测能段范围最宽、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。它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务，探寻暗物质存在的证据，研究暗物质特性与空间分布规律。卫星组成卫星组成主要目的：寻找暗物质粒子，研究暗物质特性与空间分布规律，探寻宇宙射线起源并观测高能伽马射线，有望在物理学与天文学前沿带来新的重大突破。

主要本领：测量高能粒子的能量、方向和电荷，以及鉴别粒子的种类。主要构成：塑闪阵列探测器（PSD），硅阵列探测器（STK）、电磁量能器（BGO）、中子探测器。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。

各自作用：塑料闪烁体探测器：区分电荷。电子和光子打进来，是不同的。Si阵列探测器：测量宇宙线的方向和电荷。BGO量能器：最为重要，测量宇宙线的能量。科学目标科学目标一是暗物质间接探测，也是最主要的；二是寻找宇宙射线的起源；三是伽马射线天体物理。

探测原理探测原理悟空(6张)1.什么是高能宇宙射线？指的是来自宇宙中具有相当大能量的带电粒子流，1912年由德国科学家韦克多·汉斯发现。他制作了一个电离室，用于测量空气中的电离度（空气中的带电粒子数量）。同时期也有其他的科学家制作电离室，汉斯的创新之处在于，他将电离室放在热气球上，这样在放飞前，能测量出地面的电离度，放飞后，能测量出不同海拔高度的电离度。而汉斯的测量结果显示：海拔越高，电离度越大。这说明带电粒子并不是地球产生的，否则不会越远离地面，电离度越高。也就是说，宇宙空间会产生带电粒子，再打到地球上。宇宙线产生后，在银河系传播的过程中，有一定的几率逃脱银河系，跑到宇宙空间去，这样宇宙线的能量就会越来越低。但实际上宇宙线的能量是比较稳定的。这是因为宇宙线有源头，宇宙线的源头一般认为是超新星的爆发。当超新星爆炸的时候，会将自身的高能量粒子，例如氢核、氦核，以非常高的速度抛射到星系空间中。2.性能与结构性能与结构结构示意图(2张)空间探测宇宙线主要测量宇宙线粒子的电荷、能量和入射方向，其中测量电荷包括电荷的大小与正负。电荷正负的测量是最困难的，必须借助于磁场才能实现。磁谱仪可以测量宇宙线在其磁场中的偏转，进而判定入射宇宙线的电荷。磁谱仪造价昂贵，现在仍在空间运行的探测器只有AMS-02。Fermi-LAT、CALET和DAMPE这3个探测器都利用量能器来测量宇宙线的能量，而不测量电荷的正负。DAMPE即“悟空”是中国第1个空间高能粒子探测器，经过全球征名活动，最终命名为“悟空”，寓意用《西游记》中火眼金睛的悟空寻找难以察觉的暗物质存在的证据。“悟空”已于2015年2月17日发射升空，是世界上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，其观测能段是国际空间站阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。在轨运行状态稳定，数据源源不断地获取了大量数据。DAMPE是以中国为主，瑞士和意大利参与共同研发完成的。DAMPE主要探测电子宇宙射线、高能伽玛射线和高达PeV的核素宇宙射线。它具有能量分辨率高,测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点。设计指标如表1所示。DAMPE的性能优势和它的结构设计紧密相关。暗物质粒子探测卫星的探测器由4部分组成，分别是：塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器以及中子探测器。塑闪阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线的电荷以区分不同核素，也有可区分高能电子和伽玛射线。高能带电粒子在穿过塑料闪烁体时，通过电离和发射辐射(光子)的方式损失能量。沉积的能量转化为荧光，被两端的光电倍增管转化为电信号，经打拿级放到后读出。塑闪阵列探测器主要由兰州近代物理研究所负责研制。硅阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线粒子的方向和电荷。硅阵列探测器由6大层硅微条探测器上下层叠排布而成。优势优势与国际上其它暗物质探测卫星相比，有三个显著优势。一是能够测量的宇宙线的能量非常高，可以测量到104个GeV；二是能量分辨率高，可以达到1%左右，测得比较准；三是测量能量的本底比较低，也就是区分电子和质子的能力非常强。

研发背景研发背景天文观测表明，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。而我国正在研制的“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。占宇宙95%以上占宇宙95%以上的暗物质和暗能量由万有引力定律证实存在，却从未被直接观测到。暗物质粒子的探测是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域。包括我国在内的世界各国正在筹建或实施多个暗物质探测实验项目，其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。据介绍，“悟空”由四个有效载荷组成，分别是塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器。所有探测器及电子设备安装在1个立方米的空间内，技术难度超过了我国所有的上天高能探测设备。此次发射的暗物质卫星全部由中科院研制、生产。工程2011年立项，造价1亿美元，远低于国外同类探测器。研发历程成功发射正式命名成立科学组完成束流实验完成测试在轨交付国外现状010302040506研发历程成功发射2015年12月17日8时12分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭丁成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功，标志着我国空间科学研究迈出重要一步。“悟空”肩负着去太空寻找暗物质存在证据的使命，它拥有“火眼金睛”，观测能段、能量分辨率超过国际上其他同类探测器，可谓“神通广大”，有望在物理学前沿带来重大突破。暗物质和暗能量被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。中国和世界各国已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目，其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

正式命名暗物质粒子探测卫星公开征名活动由人民和中国科学院国家空间科学中心、中国科学院紫金山天文台和共同主办，自9月底上线以来，共收到有效名称方案个。在数据统计的基础上，经过专家评委投票，由中科院批准，2015年12月16日下午，中国科学院国家空间科学中心宣布将暗物质粒子探测卫星正式命名为“悟空”。

悟空卫星将暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”，符合将科学卫星以神话形象命名的做法，如美国的阿波罗、欧洲的尤利西斯、中国的玉兔等。这样做可以借助传统文化，提升我国公众科学素养，吸引青少年热爱科学、探索未知。

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。成立科学组2015年10月29日至31日，由中国科学院紫金山天文台主办的第四届暗物质探测卫星（DAMPE）研讨会在南京召开。来自DAMPE主要研制单位中国科学院紫金山天文台、高能物理研究所、近代物理研究所、国家空间科学中心和中国科学技术大学以及国际合作单位瑞士日内瓦大学、意大利国家核物理研究所、佩鲁贾大学、巴里大学、萨伦托大学以及美国麻省理工学院等单位50余位专家学者参加了此次会议。

研讨会期间，常进正式宣布暗物质粒子探测卫星科学合作组成立。科学合作组在DAMPE科学应用系统组织下，负责DAMPE探测器运行及实验数据的刻度、重建、物理分析。合作组推举了组织委员会（IB）和执行委员会（EB），下设运行组、软件组、技术组、物理分析组和科学顾问组。会议最后，科学应用系统还对DAMPESW软件的研发状态和分工进行讨论及确定，为卫星成功发射后的数据处理及分析、科学目标的实施奠定了基础。完成束流实验2012年12月，由中国科学技术大学探测与核电子学国家重点实验室研制的DAMPE粒子探测谱仪初样鉴定件在在欧洲核子研究中心（CERN）进行了为期20天的束流测试和标定实验。此次DAMPE谱仪鉴定件在CERN的束流实验，是整个暗物质粒子探测卫星研制中必不可缺少的一环，其成功完成，验证了DAMPE谱仪的软、硬件功能完备正确、系统工作可靠、科学探测数据可信、性能达标；并为正样飞行件在轨运行物理数据的分析提供了依据，保证了未来科学成果的可信度。

完成测试在轨交付2016年3月17日，我国空间科学系列首发星暗物质粒子探测卫星“悟空”圆满完成三个月的在轨测试任务，顺利交付用户单位。经过三个月的在轨测试，卫星的四大科学载荷——塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器功能性能稳定，上注至卫星的全部指令均正确执行，星地链路通畅，完成了所有既定的测试项目，卫星各项技术指标达到或超过了预期。国外现状直接探测测量的是暗物质粒子和原子核碰撞后原子核的反冲信号。核反冲信号一般通过测量声子、光和电荷这三类信号获得。国际上已经开展的实验有很多，如Xenon，CoGeNT，CDMS，DAMA等。

成功接收数据成功接收数据中国科学院遥感与数字地球所所属的中国遥感卫星地面站喀什站已于12月20日8时45分成功跟踪、接收到我国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”的首轨X频段下行数据，到8时52分完成任务数据的接收、记录，并传输至中国科学院国家空间科学中心。这一成功接收，标志着“悟空”和地面站星地之间的数据传输链路正式开通。2015年12月24日17时55分，我国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉成功升空后第7天，经卫星平台测试、有效载荷管理器加电测试、科学探测器高压加电测试后，第一批科学数据成功下传至中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅。接收到的数据显示，暗物质卫星的四大科学载荷：塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器探测到的高能电子和伽马射线计数与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。暗物质卫星自2015年12月20日接收到第一帧数传数据以来，卫星地面支撑系统累计接收数据494轨，累计接收原始数据文件约2.4TB，生成科学数据产品41类，总计个，数据产品总量约5.5TB。截至2016年3月17日，暗物质卫星在轨飞行92天，共探测到4.6亿个高能粒子，完成了三分之二天区的扫描。DAMPE的优势DAMPE的优势暗物质粒子探测卫星是中国第1颗空间天文卫星，它在暗物质间接探测方面具有较强的国际竞争力，大大提升了我国暗物质探测水平。DAMPE的主要科学目标有3个：暗物质间接探测、宇宙线物理和伽马射线天文。DAMPE已于2015年2月17日发射升空。在轨运行状态稳定，已获取了大量数据。DAMPE可以准确测量宇宙线正负电子的能谱，有望完整测量“超出”的截断行为。宇宙线正负电子“超出”的起源有暗物质和天体物理过程两类模型，所预言的“超出”的截断行为有显著差异。现有的数据因为只覆盖了相对较低的能段部分，还无法进行有效区分这两类模型。DAMPE有望准确测量“超出”截断处的能谱，区分起源模型。此外，DAMPE还将首次在空间得到1~10TeV的电子宇宙射线的能谱、发现或限制邻近的高能电子射线源。DAMPE由于优秀的能量分辨率，在伽马射线线谱的搜寻上有望取得突破。因为对于线谱结构，能量分辨率差的话信号容易淹没在背景噪声之中。在高能量分辨率的数据中却会表现为非常“尖”的结构。因此能量分辨率越高，就越有可能在数据中找到线谱结构。DAMPE能够测量高达100TeV的核子宇宙线。地面宇宙线实验测量能段偏高，且难以准确区分宇宙线的各种组分。DAMPE可以实现地面探测和空间探测在能谱上的衔接，并且能够区分宇宙线组分。