中國的暗物質粒子探測衛星到底有多牛？

出品：科普中國

制作：沖出太陽系團隊

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

“中國首顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星“悟空”（DAMPE）的第一篇科學論文于今日凌晨發布，宣布科研團隊獲得了世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。

在天文學界和物理學界，有一個被科學家稱為世紀之謎的問題待解，這便是暗物質，它們合在一起的引力拉著太陽，使其不至于由于速度過高而飛離銀河系的中心。

暗物質（圖片來自互聯網）

但是目前，研究暗物質的衛星卻屈指可數，間接探測暗物質的衛星主要有國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS）和美國的費米伽馬射線衛星以及我國的“悟空”暗物質粒子探測衛星，它們正努力地探尋暗物質存在的證據。

總體情況對比

阿爾法磁譜儀（Alpha- Magnetic Spectrometer，簡稱“AMS”）由諾貝爾獎獲獎者丁肇中先生領導、全球16個國家和地區的56個研究機構合作承擔的國際性大型科研項目，超過1500名科研人員參與該項目的研究工作。

阿爾法磁譜儀重達6700千克，中國多家單位參加了研制，其中，中國科學院高能物理研究所和中國運載火箭技術研究院與法國、意大利的兩個單位合作，研制了阿爾法磁譜儀電磁量能器，能夠測量能量高達TeV的電子和光子，是尋找暗物質的關鍵子探測器。

原計劃阿爾法磁譜儀由NASA的航天飛機送入太空。但由于航天飛機近年來事故的影響，使得發射時間一再推遲，一直到2011年5月16日，美國“奮進”號航天飛機攜帶著中國參與制造的阿爾法磁譜儀，從佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空，前往國際空間站。

2011年5月16日，阿爾法磁譜儀發射升空

阿爾法磁譜儀運轉時間長，經費投入大，從“阿爾法磁譜儀1”到“阿爾法磁譜儀2”，中間相隔了整整13年，而僅僅后者就消耗20億美元。

費米伽瑪射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope，原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST，大面積伽瑪射線太空望遠鏡）是在地球低軌道的伽馬射線天文學空間望遠鏡。

此望遠鏡包括大面積望遠鏡（LAT），它是用來進行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現象，如活躍星系核、脈沖星、其他高能輻射來源和暗物質。另外，該衛星搭載的伽瑪射線爆監視系統（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）可用來研究伽瑪射線暴。

GLAST在格林尼治標準時間2008年6月11日16:05由Delta II 7920-H火箭發射。本任務是由美國國家航空航天局、美國能源部、德國、法國、意大利、日本、瑞典政府機關聯合執行。

費米太空望遠鏡

暗物質粒子探測衛星（英文：Dark Matter Particle Explorer，縮寫：DAMPE）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制的4顆科學實驗衛星之一，是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星。

我國首顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星“悟空”發射升空

“悟空”暗物質粒子探測衛星于2015年12月17日在酒泉衛星發射中心發射成功，是中國的首顆天文衛星。它由中科院微小衛星創新研究院抓總研制，中科院紫金山天文臺等科研單位共同參加有效載荷、科學應用等工程項目研制工作。

暗物質衛星總設計師李華旺說，“悟空”的“火眼金睛”包含塑閃列陣探測器、硅列陣探測器、BGO能量器和中子探測器四個子載荷，能測高能粒子的能量、方向和電荷，并具備鑒別粒子的本領，從而有可能探測到暗物質粒子的存在。“悟空”將在頭兩年對全天掃描，之后根據探測結果，對暗物質最可能出現的區域定向觀測。

技術對比

阿爾法磁譜儀主結構的主體系外徑為1.3米，內徑為1.15米，高0.8米的空心高強度鋁制圓柱體。永磁體呈條狀插入主結構，其磁場強度高達1400高斯。主結構要求高精度，在生產及裝配過程中嚴格控制偏差，以使其與航天飛機對接時不產生裝配應力。

阿爾法磁譜儀

費米太空望遠鏡GLAST有兩項科學載荷：大面積望遠鏡（Large Area Telescope, LAT）和伽瑪射線爆監視系統（Gamma-ray Burst Monitor, GBM）。大面積望遠鏡是可以偵測能量范圍 30 MeV - 300 GeV 的伽瑪射線成像偵測器（成對轉換儀器），視野是全天20%；LAT是康普頓伽瑪射線天文臺搭載的高能伽瑪射線試驗望遠鏡的后繼者。

伽瑪射線爆監視系統是使用14個閃爍器（其中12個是碘化鈉晶體，偵測8keV至1MeV；另2個是鍺酸鉍晶體，偵測150keV至30MeV）的偵測器，可偵測全天空儀器能量范圍所有伽瑪射線。

費米太空望遠鏡

“悟空”暗物質粒子探測衛星的主要構成有塑閃陣列探測器（PSD），硅陣列探測器（STK）、電磁量能器（BGO）、中子探測器。PSD用作反符合，由兩層塑料閃爍體條組成；STK由6個徑跡雙層，每個由正交擺放的兩個單面硅條組成；有三層鎢板厚度分別為1cm、2mm、2mm，插在硅微條的第2、3、4層前面，用作光子轉換；BGO有14層，每層22根，相鄰兩層正交排列，用來測量射線的能量；中子探測器加在量能器的底部。BGO量能器和STK總共大約33個輻射長度，是空間里最深的量能器。