悟空號

宇宙線物理自1912年HESS第一次探測到宇宙線已有一百年左右的歷史，隨着大量觀測數據的積累，此領域已經取得了巨大的進步。然而，宇宙線領域仍然有許多的亟待解決的問題，如宇宙線的起源問題，加速機制問題，宇宙線“膝”的起源等問題。 ^[2] 

人類賴以生存的地球無時無刻不在經受來自外太空中高能粒子的轟擊，這些粒子包括各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等，它們統稱為宇宙線。人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀。宇宙線曾經對基本粒子物理學科起到了非常重要的作用，人們從宇宙線中發現了一大批新粒子。宇宙線和物質的相互作用就像天然的對撞機，而其能量可以遠遠高於人造加速器的能量，給人們提供了豐富的關於物質基本結構及其相互作用規律的知識。宇宙線同時攜帶了宇宙中極端天體現象和環境的信息，對相關天體物理研究也意義重大。但而今關於宇宙線的起源、加速機制以及它們在星際空間和星系際空間中的傳播及相互作用等基本問題依然沒有得到徹底的解答。

質子是宇宙線中丰度最高的粒子，佔比約90%。對質子能譜的精確測量有助於理解宇宙線物理的基本問題。事實上，由於巨大的技術挑戰，宇宙線的直接觀測長期以來進展緩慢，而且測量誤差很大，直到本世紀才陸續取得突破，並對傳統理論模型帶來挑戰。 ^[9]  正是基於上述背景，中國啓動暗物質粒子探測衞星研製。 ^[19] 

20世紀70年代，隨着國家戰略需求的發展，中國科學院紫金山天文台研究員張和祺牽頭提出“天文一號”衞星，它是中國第一個空間太陽觀測衞星計劃，於1978年正式立項啓動研製，並被列入國家“兩星一站”計劃（繼“兩彈一星”任務後）。

為此，紫金山天文台專門成立了空間天文實驗室，並承擔了掠入射軟X射線探測器、硬X射線探測器和紫外探測器的研製任務。這顆衞星載荷總重量30千克，預計軌道高度為500千米、傾角50º左右，計劃以1980-1981太陽活動第21個峯年為契機，發射運行。

1983年，星上幾個主要探測器完成了包括所有環境模擬試驗和系統聯試的研製全過程，各項性能指標也達到了設計要求。然而因各類客觀因素，工程項目被迫終止。

2011年“悟空”衞星立項之前，西方國家的空間科學衞星與中國的空間科學衞星的數目比大約是200與0，差距巨大。

中國科學院院士常進於20世紀90年代初進入中國科學院紫金山天文台工作，主要研究方向是空間高能粒子的探測，但當時中國的空間天文領域幾乎一片空白，只能在別人數據基礎上探求發展。在研究過程中，常進院士發現了可以大幅提升質子、電子鑑別能力的新方法。此前，為鑑別質子、電子，科學家需要將探測器做得又大又厚，這意味着龐大的預算。而常進發現的新方法，在舊方法基礎上刻畫粒子在探測器裏的橫向發展，同時構造橫向、縱向的聯合參數。這樣，薄的探測器就能實現非常高的質子、電子分辨，為空間探測實驗提供了新的發展思路。 ^[23] 

2011年12月，暗物質粒子探測衞星DAMPE（“悟空”號）正式立項啓動，成為中國戰略性先導科技專項空間科學的首批四顆科學實驗衞星之一。此後衞星開始正式進入方案階段研究，在方案階段，暗物質粒子探測衞星有效載荷（即暗物質粒子探測器）團隊完成了：載荷各分系統方案設計確定了載荷和衞星接口、有效載荷電性件研製和集成測試、歐洲核子中心的束流試驗、載荷結構件研製和結構力學試驗、以及載荷關鍵技術攻關。

2013年4月，暗物質粒子探測衞星工程由方案研製轉入初樣研製階段，標誌着衞星全面進入工程化階段。在此期間，有效載荷完成初樣鑑定件單機的研製工作、各單機的環境和可靠性試驗、載荷集成測試、載荷與衞星平台的整星電聯試、整星的環境試驗、以及載荷鑑定件在歐洲核子中心的束流試驗。有效載荷通過鑑定件的研製，確定了正樣飛行件的所有技術狀態。

2014年9月，暗物質粒子探測衞星工程轉入正樣研製階段，有效載荷各分系統完成正樣飛行件的所有單機研製和各項環境試驗、可靠性試驗等，並於2015年4月交付有效載荷總體進行聯試。

2015年5月，有效載荷正式交付衞星總體，進行整星聯試及相關環境試驗。至2015年10月，暗物質粒子探測衞星完成正樣飛行件的所有研製工作，並於2015年11月運往酒泉衞星發射基地。 ^{[6]  [12]} 

悟空號暗物質粒子探測衞星有效載荷由中國科學院紫金山天文台主導，與中國科學技術大學，中國科學院高能物理研究所、中國科學院近代物理研究所、中國科學院空間科學與應用研究中心聯合研製，由上海微小衞星創新研究院承擔平台研製任務。 ^[14] 

瑞士日內瓦大學及意大利國家核物理研究院也參與了悟空號衞星上的硅子探測器的研發。 ^[17] 

2015年9月，中國科學院國家空間科學中心啓動暗物質粒子探測衞星公開徵名活動。自正式啓動至2015年10月31日方案提交截止，共收到了有效名稱方案32517個，其中網絡徵名途徑收到徵名方案32098個，書面方式提交方案419個。

2015年12月16日下午，中國科學院國家空間科學中心宣佈，在數據統計的基礎上，經過專家評委投票，由中科院批准，將暗物質粒子探測衞星正式命名為“悟空”。中科院的有關人士介紹，將暗物質粒子探測衞星命名為“悟空”，符合將科學衞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，提升中國公眾科學素養，吸引青少年熱愛科學、探索未知。 ^{[18]  [26]} 

悟空號暗物質粒子探測衞星（英文簡稱：DAMPE）是中國首顆空間天文衞星。該星通過在空間觀測高能電子（包括正電子）和伽瑪射線能譜，來尋找暗物質粒子的存在證據，並開展宇宙射線起源及伽馬射線天文方面的相關研究。

暗物質粒子探測有效載荷由4個子探測器及載荷數管構成，其中包括塑閃陣列探測器PSD、硅陣列探測器STK、BGO量能器、中子探測器NUD。 ^{[3]  [19]} 

悟空號衞星發射採用長征二號丁運載火箭。長征二號丁是由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術研究院研製的常温液體兩級運載火箭。長征二號丁運載火箭是在長征四號運載火箭的第一、二級基礎上研製，起飛推力達300噸，具備地球近地軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）要求的單星、多星發射能力，運載能力近地軌道4噸，對應700千米太陽同步軌道運載能力為1.3噸，具有高可靠、高安全、低成本、短週期發射等特點。長征二號丁火箭此次執行第26次飛行任務，該型火箭保持了百分之百的成功率。 ^[21] 

針對悟空號發射任務長征二號丁遙二十七號運載火箭，火箭研製方對火箭做了一些改進，為火箭安裝了更先進、穩定的兩套‘小腦’——激光慣組和光纖慣組，有主有備，進一步提高了火箭可靠性，還為火箭減輕了20~30千克的重量。該火箭主計算機也裝了3塊主板，任何一塊出問題，都不會影響到整個任務的成敗。 ^[20] 

悟空號衞星載荷各部分協同工作以完成科學目標和工程物理指標，載荷各部分功能如下：

該探測器主要是為了用於區分入射高能電子（帶電粒子）和光子（非帶電粒子），鑑別入射高能重離子（Z=1~26）的種類。塑閃陣列探測器分系統有效探測面積為825×825毫米²，整個分系統由兩層，共82個X、Y方向相互垂直放置的塑閃單元模塊組成，其中78個塑閃單元模塊的尺寸為884×28×10毫米³，另外4個塑閃單元模塊的尺寸為884×25×10毫米³。塑閃探測器探測單元的兩端採用光電倍增管將光信號轉換為電信號再進一步處理。

該探測器採用高位置分辨的硅微條探測器，主要目的是為了測量入射粒子的方向，區分電子（帶電粒子）和伽瑪（非帶電離子），同時也用於測量高能核素。硅陣列探測器由6大層硅微條探測器構成，每大層由XY排列的兩小層組成，每層實現空間上X、Y的定位。硅陣列探測器探測器面積為800×800毫米²。硅陣列探測器配置要求放置三層鎢板作為Gamma光子的轉換介質。為實現粒子電荷的區分，特別是區分Gamma和電子，硅微條探測器間佈置了3塊鎢板用於將光子轉換為電子，鎢板厚度為1毫米。

該探測器為全吸收型電磁量能器，其主要目的是為了測量宇宙線粒子，尤其是高能電子和伽瑪射線的能量（5GeV-10TeV），同時根據強子簇射和電磁簇射在量能器中的橫向展開和縱向發展的不同，進行粒子鑑別，以剔除高能強子（主要是質子）本底。BGO探測器主要由308根BGO晶體構成，其探測面積約為600×600毫米。BGO量能器共分為7大層，每大層由XY兩小層構成，形成一個XY座標的測量。每小層22個探測器單元，每個探測單元（BGO晶體）為25×25×600毫米。

該探測器是為了測量宇宙線中的強子（主要為質子）與中子探測器上層的物質發生作用產生的次級中子，根據這些中子在探測器內的能量沉積，可以判斷入射粒子的類型，配合BGO探測器來進一步區分質子和電子。中子探測器採用厚度為10毫米的摻硼（B）的塑料閃爍體探測器。

暗物質粒子探測器的每種探測器輸出的信號均由相應的前端電路來進行讀出。在暗物質粒子探測器中BGO量能器和塑閃陣列探測器中前端電路稱為FEE（即Front End Electronics），硅陣列探測器中前端電路由前端ASIC混合讀出板FEH和數據讀出控制模塊TRB構成，中子探測器中，前端電路由中子處理板構成。前端電路負責採集光電探測器的模擬信號、數字化打包後發送給載荷數管。 ^{[3]  [19]} 

2015年12月17日8時12分，中國在酒泉衞星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學衞星系列首發星——暗物質粒子探測衞星“悟空”發射升空。 ^[5] 

2015年12月24日，在衞星發射升空後第七天，有效載荷正式開始進入在軌測試階段，首批科學數據成功下傳。在隨後的三個月在軌測試期間，整個有效載荷功能性能穩定，上下行指令均正確執行，星地鏈路通暢，完成了所有既定測試項目。

2016年3月8日，悟空號暗物質粒子探測衞星正式交付科學應用系統，即中國科學院紫金山天文台使用。 ^[12] 

從2015年12月20日接收到第一幀數傳數據，至2020年9月30日，“悟空”號衞星已在軌飛行1746天，完成了全天區的第9遍掃描，共探測並處理了約86.9億個高能粒子。

““悟空”號的設計壽命為3年，探測器及衞星平台運行狀態良好，已於2019年1月正式進行首次延壽運行，為期2年。基於悟空號優異的工作狀態，有望於2021年1月再次延壽運行。 ^[5] 

截至2018年年底，中國科學院紫金山天文台研製的中國第一顆暗物質粒子探測衞星“悟空”號已繞地球飛行了16597圈，探測宇宙射線粒子55億個。

在相同時間內，它積累的TeV（1TeV=1萬億電子伏特）以上的觀測數據相當於國際空間站上的日本量能器電子望遠鏡和阿爾法磁譜儀實驗的5倍以上，意味着完成了其他“同行”至少10年的工作量。基於這些數據，科研人員成功獲取了國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果。 ^[11] 

2017年11月30日，國際權威學術期刊《自然》在線發佈，暗物質粒子探測衞星“悟空”在太空中測量到電子宇宙射線的一處異常波動。這一神秘訊號首次為人類所觀測，意味着中國科學家取得了一項開創性發現。 ^[1] 

2021年5月19日，中國暗物質衞星項目團隊公佈科學成果。基於四年半的在軌觀測數據，“悟空”繪出迄今最精確的高能氦原子核宇宙射線能譜，並觀察到能譜新結構。這一發現可能預示存在一處未知的宇宙射線源。悟空”實現了對0.07—80TeV能段（1TeV=1萬億電子伏特）宇宙射線氦原子核能譜的精確測量。在前四年半的工作時間中，“悟空”共收集到約1750萬個高能氦原子核數據。據此，科研團隊繪製出精確的高能氦核宇宙射線能譜。該能譜清晰展示出氦核流量先上升、後下降的“拐折”結構，其中後半段的下降結構，系“悟空”首次發現。 ^[27]  這是“悟空”號繼精確測量電子能譜、繪製高能質子宇宙線能譜後，第三次發佈重要科學結果，標誌着中國空間高能粒子探測已躋身世界最前列。 ^{[24]  [28]} 

2021年9月7日，“悟空”號暗物質粒子探測衞星首批伽馬光子科學數據向全球公開。 ^[29] 

2022年11月，“悟空”號團隊科研人員基於“悟空”數據，新近繪製出迄今能段最高的硼/碳、硼/氧宇宙射線粒子比能譜，並發現能譜新結構。這一最新成果顯示，宇宙中高能粒子的傳播可能比預想更慢。 ^[25] 

“悟空”衞星‘高能電子、伽馬射線的能量測量準確度以及區分不同種類粒子的本領兩項關鍵技術指標方面世界領先，尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產生的一些非常尖鋭的能譜（能譜指的是電子數目隨能量的變化情況）信號。而且，“悟空”衞星測量到的TeV電子的‘純淨’程度也最高（也就是其中混入的質子數量最少），能譜的準確性高。”因為“悟空”衞星上述的優秀性能，從而獲得了關於電子宇宙射線觀測的最好結果。

“悟空”衞星首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~1TeV處的拐折，也就是高能電子數量突然下降，在能譜分佈上形成了一個尖鋭的凸起。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對於判定部分（能量低於1TeV）電子宇宙射線是否來自於暗物質起着關鍵性作用。此外，“悟空”衞星的數據初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細結構，即高能電子數量忽然上升又下降的尖鋭變化。

“悟空”衞星運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。

“悟空”新發現的能譜精細結構超出了科學家的常規理解，可能是暗物質粒子存在的新證據。對此，自然科研中國區科學總監印格致博士表示，“悟空”此次的成果展示了中國技術實力發展的一個里程碑，“這次研究中實現的測量所需的精湛技術是無與倫比的，未來可能會幫助中國解決其他想不到的技術挑戰。” ^[10] 

2017年11月30日在《自然》雜誌在線發表的探測成果發佈，暗物質粒子探測衞星“悟空”（DAMPE）的首批科學成果。首席科學家常進宣佈，“悟空”衞星在軌運行的前530天共採集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些數據，科研人員成功獲取了國際上精度最高的電子宇宙射線能譜。該能譜將有助於發現暗物質存在的蛛絲馬跡。 ^[8] 

2019年9月28日，基於悟空號衞星收集到的前兩年半數據，“悟空”號國際合作組在Science Advances雜誌發表了從40 GeV到100 TeV能段的宇宙線質子精確能譜測量結果，如下圖所示。這是國際上首次利用空間實驗實現對高達100 TeV的宇宙線質子能譜的精確測量，該能量上限比丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀（AMS-02）實驗高出約50倍，比日本科學家領銜的CALET實驗最新結果高出10倍。

“悟空”號的測量結果確認了質子能譜在數百GeV處的變硬行為。更為重要的是，“悟空”號首次發現質子能譜在約14 TeV出現明顯的能譜變軟結構，這一新的結構很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記，拐折能量即對應於其加速上限（見下圖）。“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線的起源以及加速機制具有十分重要的意義。

2017年以來，“悟空”號相繼在電子、質子宇宙線測量方面取得突破性進展，標誌着中國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。“悟空”號已經進入延壽運行階段，積累了大量的高質量數據。“悟空”號合作組將陸續發表宇宙線氦核及其他更重的核素能譜測量結果，可望測出不同宇宙線核素能譜拐折能量，這將為揭示高能宇宙線的加速機制或與星際介質的相互作用等物理問題提供關鍵信息。 ^[9] 

悟空號暗物質粒子探測衞星是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研製的4顆科學實驗衞星之一，“高能電子、伽馬射線的能量測量準確度”以及“區分不同種類粒子的本領”這兩項關鍵技術指標方面世界領先。是在軌世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衞星。 ^[7] 

國際上有三個著名的暗物質探測器，“悟空”是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器。

“悟空”設計壽命為3年，已經超期服役近2年，但它看起來依舊“年富力強”，有望再次延長工作時間。 ^[5]  （中國軍網 評）