悟空号

DAMPE

国籍

中国研发机构

中国科学院任务类型

科学与教育、技术试验轨道类型

太阳同步轨道轨道高度

~500km轨道倾角

97.4°运载火箭

长征二号丁发射日期

2015年12月17日8时12分发射基地

酒泉卫星发射中心寿命

3年质量

1410kg国际卫星标识符

2015-078A

“悟空号”是由中国科学院研制，作为中国科学院空间研究战略性先导科技专项中进行的五次卫星飞行任务之一。重约1410kg。在太阳同步轨道运行，使用寿命三年。 2015年12月17日8时12分，在酒泉卫星发射中心，长征二号丁运载火箭成功将悟空号发射升空。

科学目标

悟空号卫星通过对高能电子和伽马射线进行高分辨率观察来搜索和研究暗物质粒子，并通过观察TeV上方的高能电子和重核来研究宇宙射线的起源。[1]

宇宙射线的研究

悟空号卫星还致力于了解天体源中粒子加速的机制和宇宙射线在银河系中的传播，探索暗物质的性质，这对于解释在非常大规模的天体结构中观察到的重力效应的原因是十分必要的，例如星系旋转中的异常现象和星系团对光的重力透镜效应，这些现象不能用观察到的物质数量来解释。

在宇宙线研究方面，悟空号将提供电子、正电子、质子、氦核等重离子在10GeV至~1PeV能带内的高能量分辨率光谱及其在不同能量范围内的各向异性，利用这些光谱可以探索太阳邻域内宇宙线源的性质。结合在较低能量下宇宙射线光谱的更精确的测量，可以更加准确地了解宇宙射线的传播和加速的机制。而银河系中心、矮星系以及星系团富含暗物质，是捕捉暗物质湮灭/衰变γ射线发射的理想场所。由于高能量分辨率，悟空号适用于识别暗物质湮灭或衰变产生的γ射线线信号与测量来自暗物质丰富区域的连续γ射线发射和电子/正电子对谱，以及暗物质粒子的物理参数，如剩余质量、湮灭截面或寿命等。到目前为止，银河电子/正电子过剩的物理起源仍有待解决。[2]

伽马射线的研究

在伽马射线天文学方面，悟空号将监测稳定的高能天体物理源，如超新星遗迹、脉冲星、脉冲星风星云和可变源，如活动星系核、x光双星、伽马射线爆发，以探索辐射机制和相关的物理过程。有趣的是，对GRB 090510类事件的高能和低能γ射线到达时间的测量也可以用来限制由量子引力效应引起的光速变化。[2]

载荷介绍

“悟空”号暗物质粒子探测卫星共计搭载了四种不同的有效载荷，分别为，塑闪阵列探测器 ，硅阵列探测器，BGO量能器以及中子探测器。其结构如下图

卫星结构示意图

塑闪阵列探测器

塑闪阵列探测器位于整颗卫星的最上层的部分，其主要用于区分入射高能电子（带电粒子）和光子（非带电粒子），鉴别入射高能重离子（Z=1~26）的种类，由两层塑料闪烁体条组成。[3]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，经放大后读出。

载荷示意图

硅阵列探测器

硅阵列探测器位于塑闪阵列探测器的下层，其主要用于测量宇宙线的方向和电荷，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。[3]高能光子在穿过钨板时以较高的概率转化为正负电子对。所以光子和电子在量能器中的信号是一致的。如果在第一层没有记录到带电粒子的信号，但在下面几层记录到信号，则入射粒子为伽玛射线。

BGO量能器

主要测量高能电子和伽马射线的能量（5Gev-10Tev)同时根据强子簇射和电磁簇射在量能器中的横向展开和纵向发展的不同，进行粒子鉴别，以剔除高能强子（主要是质子）本底。由14层，每层22根BGO晶体构成，相邻两层正交排列。[3]

中子探测器

为了测量宇宙线中的强子（主要为质子）与中子探测器上层的物质发生作用产生的次级中子，根据这些中子在探测器内的能量沉积，可以判断入射粒子的类型，配合BGO探测器来进一步区分质子和电子。中子探测器采用厚度为10mm的掺硼的塑料闪烁体探测器。[3]

科研成果

1.我国的“悟空”号暗物质探测卫星于2017年底公布了宇宙中从2.5GeV—4.6TeV的e+e-的探测结果,从中可以看到在1.5TeV处有一个明显超出的峰值——截止到目前这是实验中第一次在1.5TeV处观测到超出,这个现象在国际上引起的广泛关注。[4]

2.北京时间2019年9月28日，基于前两年半的数据,“悟空”号国际合作组在《科学进展》（Science Advances）杂志发表了从40 GeV到100 TeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果。这是国际上首次利用空间实验实现对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确测量，这对于研究和认识银河系内宇宙线起源、加速机制，以及它们在星际空间和星系际空间中的传播及相互作用等关键问题，有着很重要的价值和意义。[3]

3.“悟空”号卫星530天的运行共计记录到28亿个宇宙线粒子, 科学家从中筛选出了约150万个高能量的电子, 测量出了这些电子的能谱分布。揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构。和之前别的实验测量结果相比, “悟空”号的结果精度最高、本底最低, 为科学家理解高能电子起源提供了重要的数据。[5]

4.据紫金山天文台暗物质卫星团队介绍，自2016年10月以来，“悟空”号频繁捕捉到来自超大黑洞CTA 102的伽马射线辐射。特别是11月23日以后，“悟空”记录到明显增强的伽马射线爆发现象，这一爆发在12月16日达到峰值。记录到的最高光子能量约620亿电子伏特，相当于静止质子等效能量的66倍。

5.DAMPE首次发布的宇宙线电子数据中一个重要的结果是在1～1.1TeV附近观测到了比较明显的TeV“拐折”,能谱上的非正常“鼓包”或“拐折”很可能是因为有额外的宇宙线源,而这些“额外”的宇宙线很可能就是暗物质粒子湮灭或者衰变产生的.如今,学界对DAMPE的观测结果能不能作为暗物质存在的证据还存在争议,不过,相信随着理论和实验不断进步完善,必定能很快得到确切的结论。

6.悟空号已发布了对25 Ge V和4.6 Te V之间CRE光谱的精确测量结果。大约0.9 Te V具有很高的显着性。大约1.4 Te V的暂定窄光谱特征需要更多数据来确认。[6]

7.DAMPE任务的另一个目标是通过收集不撞击PSD层的伽马天文学事件。在不到一年的时间里，DAMPE能够通过寻找明亮的伽马源，探测它们的通量和可能的变异性。测量得到的两个最亮的脉冲星(Geminga和Vela)的伽马周期在1gev到100gev的能量范围内。

8.在过去的几年里，一些结果显示了电子和正电子(CRE)的通量出人意料的形状。此外，测量结果间接提供了CRE通量TeV范围内光谱突变的证据，尽管结果受到重大不确定性的影响。在大约两年的数据采集过程中，DAMPE以前所未有的精度(高能量分辨率和低背景)对CREs进行了从25GeV到4.6TeV的直接测量。[7]

卫星现状

2015年12月发射升空以来，原计划运行寿命为3年，但已延期服役至2020年。截止2019年，悟空号以及收集了约70亿个粒子的信息，目前在超期服役阶段的“悟空”号工作状态依然良好，正在持续积累数据，未来将陆续发表更多的观测成果，特别是对不同的核素宇宙线的能谱测量结果，将为宇宙线学科发展做出新的贡献。

据中科院负责团队成员范一中研究员介绍，目前悟空号各载荷状态良好，预计将再次延长服役时间[8]

跳转 ↑ https://space.skyrocket.de/doc_sdat/dampe.htm

↑ 跳转至： 2.0 2.1 Dark Matter Particle Explorer: The First Chinese Cosmic Ray and Hard γ-ray Detector in Space / 暗物质粒子探测卫星：中国首颗天基宇宙射线及γ-ray探测器 (中科院紫金山天文台)

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跳转 ↑ 王琳. “悟空”号首次探测结果的1.5TeV超出的暗物质解释[D].郑州大学,2018.

跳转 ↑ 藏京京,李翔.“悟空”号探索宇宙核心秘密[J].科学24小时,2018(09):4-7.

跳转 ↑ CHANG Jin.Dark Matter Particle Explorer and Its First Results[J].空间科学学报,2018,38(05):610-614.

跳转 ↑ Paolo Bernardini. Main scientific results of the DAMPE mission[J]. EPJ Web of Conferences,2019,209.

跳转 ↑ https://www.kepuchina.cn/more/202010/t20201014_2734004.shtml