[科普中国]-中国暗物质粒子探测卫星有多牛？

“中国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）的第一篇科学论文于今日凌晨发布，宣布科研团队获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。

在天文学界和物理学界，有一个被科学家称为世纪之谜的问题待解，这便是暗物质，它们合在一起的引力拉着太阳，使其不至于由于速度过高而飞离银河系的中心。

暗物质（图片来自互联网）

但是目前，研究暗物质的卫星却屈指可数，间接探测暗物质的卫星主要有国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS）和美国的费米伽马射线卫星以及我国的“悟空”暗物质粒子探测卫星，它们正努力地探寻暗物质存在的证据。

总体情况对比

阿尔法磁谱仪（Alpha- Magnetic Spectrometer，简称“AMS”）由诺贝尔奖获奖者丁肇中先生领导、全球16个国家和地区的56个研究机构合作承担的国际性大型科研项目，超过1500名科研人员参与该项目的研究工作。

阿尔法磁谱仪重达6700千克，中国多家单位参加了研制，其中，中国科学院高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院与法国、意大利的两个单位合作，研制了阿尔法磁谱仪电磁量能器，能够测量能量高达TeV的电子和光子，是寻找暗物质的关键子探测器。

原计划阿尔法磁谱仪由NASA的航天飞机送入太空。但由于航天飞机近年来事故的影响，使得发射时间一再推迟，一直到2011年5月16日，美国“奋进”号航天飞机携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪，从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，前往国际空间站。

2011年5月16日，阿尔法磁谱仪发射升空

阿尔法磁谱仪运转时间长，经费投入大，从“阿尔法磁谱仪1”到“阿尔法磁谱仪2”，中间相隔了整整13年，而仅仅后者就消耗20亿美元。

费米伽玛射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope，原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST，大面积伽玛射线太空望远镜）是在地球低轨道的伽马射线天文学空间望远镜。

此望远镜包括大面积望远镜（LAT），它是用来进行大面积巡天以研究天文物理或宇宙论现象，如活跃星系核、脉冲星、其他高能辐射来源和暗物质。另外，该卫星搭载的伽玛射线爆监视系统（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）可用来研究伽玛射线暴。

GLAST在格林尼治标准时间2008年6月11日16:05由Delta II 7920-H火箭发射。本任务是由美国国家航空航天局、美国能源部、德国、法国、意大利、日本、瑞典政府机关联合执行。

费米太空望远镜

暗物质粒子探测卫星（英文：Dark Matter Particle Explorer，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，是目前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。

我国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空

**“悟空”暗物质粒子探测卫星于2015年12月17日在酒泉卫星发射中心发射成功，是中国的首颗天文卫星。**它由中科院微小卫星创新研究院抓总研制，中科院紫金山天文台等科研单位共同参加有效载荷、科学应用等工程项目研制工作。

暗物质卫星总设计师李华旺说，“悟空”的“火眼金睛”包含塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器四个子载荷，能测高能粒子的能量、方向和电荷，并具备鉴别粒子的本领，从而有可能探测到暗物质粒子的存在。“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。

技术对比

阿尔法磁谱仪主结构的主体系外径为1.3米，内径为1.15米，高0.8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构，其磁场强度高达1400高斯。主结构要求高精度，在生产及装配过程中严格控制偏差，以使其与航天飞机对接时不产生装配应力。

阿尔法磁谱仪

费米太空望远镜GLAST有两项科学载荷：大面积望远镜（Large Area Telescope, LAT）和伽玛射线爆监视系统（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）。大面积望远镜是可以侦测能量范围 30 MeV - 300 GeV 的伽玛射线成像侦测器（成对转换仪器），视野是全天20%；LAT是康普顿伽玛射线天文台搭载的高能伽玛射线试验望远镜的后继者。

伽玛射线爆监视系统是使用14个闪烁器（其中12个是碘化钠晶体，侦测8keV至1MeV；另2个是锗酸铋晶体，侦测150keV至30MeV）的侦测器，可侦测全天空仪器能量范围所有伽玛射线。

费米太空望远镜

“悟空”暗物质粒子探测卫星的主要构成有塑闪阵列探测器（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。

“悟空”暗物质粒子探测卫星

研究成果对比

五年中，阿尔法磁谱仪AMS在国际空间站上收集的超过900亿个宇宙线事例中，能够明确分辨的包括3亿个质子事件，1650万电子事件，108万正电子事件，349000个反质子事件（其中1000亿电子伏以上的事件多达2200个），以及大批重核（直至铁元素）事件。

这些结果提供了精准且出人意料的信息，推进了人类对宇宙线产生、加速以及传播的认识，并为探测暗物质提供重要证据。尤为难得的是，AMS探测器以十亿分之一的测量精度，探测到少量疑似反氦事件，使人类见到反物质宇宙探测的曙光。

**费米太空望远镜的成果之一是它发现了CTA1超新星遗迹内的中子星，**科学家们发现该中子星只发射伽玛射线，此种形式中子星是第一次发现。这颗新发现的中子星以316.86毫秒的周期脉动，距离地球约4600光年。

并且，据美国太空网报道，费米太空望远镜在2008年发射以来的一年观测中，发现了最新的高能光线，从而证明了爱因斯坦关于光速理论的正确性。

费米射线太空望远镜天空图（图片来自视觉中国）

但是暗物质的实际观测并不像我们想象中那样容易，研究人员通过费米太空望远镜进行了长达7年的观测。积累了7年的观测数据听起来好像有很多，但其中的观测事例极为有限：在某个指定方向上，它每年大约只能观测到两次能量高于500GeV（1GeV=10亿电子伏特，而1TeV=1万亿电子伏特）的宇宙线。

在28日的新闻发布会上，科学家们指出，与阿尔法磁谱仪、费米空间望远镜相比，“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高，拓展了我们观察宇宙的窗口；同时，“悟空”卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高（也就是其中混入的质子数量最少），能谱的准确性高；

“测得准、高效率、低本底”是“悟空”的目标。目前“悟空”卫星运行状态良好，正持续收集数据，一旦该精细结构得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。