大闹宇宙暗物质世界！今天刷屏的这个“悟空”你看懂了吗？

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茫茫宇宙人类只弄清了5%

还有95%是看不见的暗物质和暗能量

卫星“悟空”看到哪些新事物？

出品 | 新浪科技《科学大家》

撰文 | 常进  暗物质粒子探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台研究员

（文章根据暗物质粒子探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台常进研究员在暗物质粒子探测卫星“悟空”首批科学成果新闻发布会上的报告整理而成。）

很高兴在这儿向大家汇报一下暗物质粒子探测卫星、探测器的工作情况，以及目前首批成果的情况。

暗物质粒子探测卫星是中国科学院战略先导专项空间科学的第一颗首发星。有几十个研究单位参加了工作，这里列出了与探测器相关的工作单位。

在整个工程的研究阶段，有超过200个科学家和工程师参与。目前，有超过80个科学家在参与数据分析。

现在地面和空间的大量观测表明，我们宇宙最主要的部分是暗物质和暗能量，人类只弄清了宇宙的百分之五。

▲当今宇宙的组分

根据天文观测表明，暗物质没有强相互作用，也没有电磁相互作用，这意味着它既不发光，也不反射光，也不吸收光，通过光学原理你找不到它。相互作用很微弱，暗物质是可见物质的五倍，长寿命、质量大，把暗物质的物理性质和标准模型里面的所有基本粒子相匹配，发现没有一个基本粒子能符合暗物质的物理性质。

▲标准模型中的所有基本粒子与暗物质粒子性质均不吻合

这就意味着，如果找到了暗物质粒子，肯定会超出标准模型，导致物理学发生巨变 ，这就是暗物质探测意义这么重大的主要原因。

国际上，已经在暗物质探测方面耗资数百亿美元。探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子，在地下直接探测暗物质粒子，和在天上间接探测暗物质粒子。

▲探测暗物质粒子的三种方法

我们的暗物质粒子探测卫星属于空间间接探测暗物质粒子，主要是到空间去探测暗物质的物理性质，弄清楚它的物理本质。

暗物质本身不可见，但暗物质湮灭或者衰变了的时候会产生看得见的粒子，通过探测卫星探测看得见的粒子，可以探测看不见的暗物质粒子，叫间接探测法。

由于暗物质粒子湮灭或者衰变时产生的信号很微弱，所以我们需要一个高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜，也就是说要“看得清、测得准”。

我们的团队在暗物质探测方面已经有20年的历史：

我们的卫星于2011年12月立项，2015年年底发射。整个研制阶段，我们一共花了四年，经历了三个阶段，研制了四套样机。

方案阶段要论证探测器方案是否可行，包括卫星一体化是不是能行。做的电性件，也就是小型的暗物质粒子探测器，在地面证明能正常工作，然后拿到欧洲去标定一下，证明你的方法可行，才能进入初样阶段。

在初样阶段研制了一套验证机，和后来真正的探测器是一样大的，验证探测器能正常工作，满足要求。然后我们才研制一套飞行件到天上去观测。

最后正样阶段就是做真正上天的探测器。

▲2015年12月17号在酒泉卫星发射中心，“悟空”卫星成功发射。

卫星的名字叫“悟空”，很多人好奇这是怎么来的。这是卫星上天前，在网上进行的征名。我们都觉得这是一个很好的名字，希望通过“悟空”的火眼金睛能够找到暗物质这个“妖魔鬼怪”。卫星的英文名字叫Dark Matter Particle Explorer，简称DAMPE。

卫星上天三个月以后，科学院组织了一次评审，各项指标都满足评定要求，整星指标评定为100分。2016年3月，卫星交付中国科学院紫金山天文台，正式进入科学运行阶段。

到目前为止，卫星在轨将近两年，所有的探测器性能和刚发射时一样，保持了100分的状态。

暗物质粒子探测卫星主要是通过在空间探测高能粒子，实现三个科学目标。第一个最重要的科学目标是探测暗物质粒子，悟空卫星本身就是宇宙线和伽马射线望远镜，所以我们还可以做宇宙射线起源和传播加速方面的研究，这也是一个天文方面很重要的科学问题。

在暗物质方面，暗物质卫星要找三个典型的信号。一个是伽马射线谱线，第二个是晕状分布的伽马射线，第三点是奇异电子能谱结构。这三个是暗物质的特征信号，它和其它的天体物理构成有显著的区别，找到这三个信号对研究暗物质特别重要。

▲伽马谱线、晕状分布伽马射线、奇异电子能谱结构

暗物质卫星是一个望远镜，它测量天上所有的高能粒子，测量三个主要的物理量：能量、方向、电荷，还有卫星提供的时间。

最主要的是把天上的高能粒子要分得很清楚，所以我们用“看得清、测得准”六个字来表达暗物质粒子的设计指标。

看得清，就是所有的东西都分得很清楚；测得准，是所有的物理量要高分辨地测量，所以关键的物理量在设计时都是两种独立的测量，每一个物理量是用两种探测器测量，这样保证结果的高可靠性。

暗物质卫星是一个高能粒子和伽马射线望远镜，从顶部到底部一共有四种探测器，顶部是塑料闪烁体探测器，往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。

每一个探测器都有不同的功能，四种探测器组合到一起，才能实现高分辨地观测高能电子、伽马射线和宇宙射线粒子。

暗物质粒子探测卫星总共有75916路子探测器，可以说这是我们国家在天上飞行或者上天的电子学方面最复杂的一颗卫星。

塑料闪烁体探测器是中国科学院近代物理所研制的，它的主要的功能是测量入射粒子电荷。我们知道天上的粒子多种多样，比如伽马射线不带电，电荷为0；电子带负电-1；正电子+1；质子是+1；氢氦锂铍硼，一直到铁，铁是+26，通过测量电荷就能把大部分粒子鉴别出来。

粒子探测器的探测水平如何，可以用电荷分辨水平这样一个物理量来描述它。现在电荷分辨水平对质子来讲是0.13的电荷，对于铁来讲是0.32的电荷，这样就得出了地球上所有的元素天上都有高能粒子。这个0.13的电荷分辨水平和世界上所有的在轨卫星的最高水平相当，我们达到了世界上最高水平。

塑料闪烁体探测器下方是一个硅阵列探测器，它的研制单位是中国科学院高能物理所领导的一支国际合作团队，包括瑞士的日内瓦大学和意大利的佩鲁贾大学，它的主要功能是测量粒子的方向和电荷。

这个探测器的水平可以用位置分辨来表示，探测器位置分辨的精度达到了优于60微米，上图中的灰影是计算模拟的最高水平，和理论结果吻合的很好，这表明我们的探测器达到了国际上最先进的伽马射线望远镜的水平。

在硅阵列探测器下方有一个叫BGO量能器的探测器，整个探测器1.4吨重，仅BGO量能器就一吨多重。它的主要任务是测量入射粒子能量和方向，并鉴别粒子的种类，是由中国科学技术大学和紫金山天文台联合研制的。

BGO探测器里有一个世界上最长的晶体，有60公分长。

在卫星立项之前，我们和硅酸盐所合作，花了几年的时间把这种晶体研制出来，效率高、费用低。这是目前在天上飞行最长的BGO闪烁晶体。

那么BGO量能器的水平如何呢？在测量入射粒子的能量方面，能量分辨率达到了百分之一，这个是国际上最高水平，远远超过在天上飞的其它的卫星探测器。

中子探测器是中科院紫金山天文台研制的，主要功能是用来鉴别粒子。我们知道宇宙射线的质子、重核都会和探测器作用产生大量的次级中子，而电子和伽马射线产生的次级中子数目要少一点，根据这一点我们可以来鉴别粒子。

上图中，彩图的左下角是电子伽马候选事例，上方是本底。我们可以看到在TeV级别上，仅仅用中子探测器就能把它鉴别得很好。这在世界上是第一次用中子探测器在TeV以上用来鉴别粒子。我们发现这是一个很成功的方法。