什么是暗物质，悟空卫星的由来_悟空的目标是什么

很多朋友对什么是暗物质，悟空卫星的由来_悟空的目标是什么不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

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首发星。数十个研究单位参与了这项工作，这里列出了与探测器相关的工作单位。200多名科学家和工程师参与了该项目的整个研究阶段。目前有80多名科学家参与数据分析。

为什么要寻找暗物质？目前，地面和太空的大量观测表明，我们的宇宙中最重要的部分是暗物质和暗能量，人类只搞清楚了宇宙的5%。今天宇宙的组成

根据天文观测，暗物质既没有强相互作用，也没有电磁相互作用，也就是说它既不发光，也不反射光，也不吸收光，你通过光学原理是找不到的。相互作用很弱，暗物质的长度是可见物质的5倍，寿命长，质量大。通过将暗物质的物理性质与标准模型中的所有基本粒子进行匹配，发现没有一种基本粒子能够满足暗物质的物理性质。

标准模型中的所有基本粒子都不符合暗物质粒子的性质，这意味着如果发现暗物质粒子，它们肯定会超过标准模型，导致物理学发生巨大变化，这也是暗物质探测如此显著的主要原因。如何发现暗物质？国际上已经在暗物质探测上花费了数百亿美元。探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子，直接探测地下暗物质粒子，间接探测天空中的暗物质粒子。

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暗物质粒子的间接探测，主要是探测空间暗物质的物理性质，找出其物理本质。暗物质本身是不可见的，但当暗物质湮灭或衰变时，会产生可见的粒子。不可见的暗物质粒子可以通过探测卫星探测到，这种方法称为间接探测法。

因为暗物质粒子湮灭或衰变产生的信号非常微弱，所以我们需要一个高能量分辨率、高空间分辨率、高统计量、低背景的高能粒子望远镜，也就是说要“看得清楚，测得准”。

我们团队在暗物质探测方面已经有20年的历史：1998年开始提出科学目标，1999年开始在加速器上验证我们的实验方法，2000年用10年时间解决了所有关键技术，2011年开始用4年时间研制一颗卫星。目前这颗卫星已经在天空中工作了两年。

研制出一颗“满分”卫星。我们的卫星是2011年12月立项，2015年底发射的。在整个开发阶段，我们用了四年时间，经历了三个阶段，开发了四套样机。在方案阶段，需要论证探测器方案是否可行，包括卫星集成是否可行。电气部分，也就是小型暗物质粒子探测器，可以在地面上证明工作正常，然后在欧洲进行校准，证明你的方法是可行的，才能进入初始阶段。

最初样品阶段研制了一套验证机，后来和真探测器一样大，验证探测器能正常工作，满足要求。然后我们开发了一套在天空中观察的飞行部件。最后的取样阶段是成为一个真正的天体探测器。

2015年12月17日，在酒泉卫星发射中心，“悟空”卫星发射成功。卫星的名字叫悟空，很多人很好奇这是怎么来的。这是卫星上天前网上的名字集合。我们都觉得是个好名字，希望通过悟空的眼睛找到暗物质这个“怪物”。卫星的英文名是暗物质粒子探索者，简称DAMPE。

卫星上天三个月后，科学院组织复查，各项指标符合评估要求，整星指标评估为100分。2016年3月，卫星交付中科院紫金山天文台，正式进入科学运行阶段。到目前为止，卫星已经在轨运行近两年，所有探测器的性能都和刚发射时一样，保持着100分的状态。

悟空卫星的目标是什么？暗物质粒子探测卫星主要通过探测太空中的高能粒子来实现三个科学目标。第一个也是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，所以我们也可以做宇宙线的起源和传播加速的研究，这也是天文学中非常重要的科学问题。

暗物质方面，暗物质卫星在寻找三种典型信号。一是伽玛射线谱线，二是伽玛射线的晕分布，三是奇怪的电子能谱结构。这三个信号是暗物质的特征信号，与其他天体物理成分有显著区别。找到这三个信号对于研究暗物质尤为重要。

伽玛线、伽玛射线晕分布、奇特电子能谱结构的暗物质卫星是一台望远镜，它测量天空中所有的高能粒子和三个主要物理量：能量、方向、电荷和卫星提供的时间。最重要的是把天空中的高能粒子分辨清楚，所以我们用“看得清楚，测得准”这几个字来表达暗物质粒子的设计指标。

看得清楚，就是一切都分得清楚；精确测量是指所有的物理量都要高分辨率的测量，所以关键物理量在设计上是两个独立的测量，每个物理量用两个探测器测量，保证了结果的高可靠性。

悟空卫星的探测原理是什么？暗物质卫星是一个高能粒子和伽马射线望远镜。从上到下有四个探测器。顶部是一个塑料闪烁体探测器，其次是硅阵列探测器，BGO热量计和中子探测器。每个探测器的功能不同，只有四个探测器组合在一起，才能高分辨率地观测到高能电子、伽马射线和宇宙线粒子。

暗物质粒子探测卫星总共有75916个探测器，无论是在天上飞还是在天上的电子方面，可以说是我们国家最复杂的卫星。

塑料闪烁体探测器由中国科学院近代物理研究所研制。它的主要功能是测量入射粒子的电荷。我们知道天空中有很多种粒子，比如伽马射线是不带电的，电荷为0；电子带负电-1；正电子1；质子为1；氢、氦、锂、铍、硼，最多铁，铁是26，大部分粒子可以通过测量电荷来识别。

粒子检测器的检测水平可以由诸如电荷分辨率水平的物理量来描述。目前电荷分辨水平质子为0.13，铁为0.32，因此得出地球上所有元素在天空中都有高能粒子的结论。这个0.13的电荷分辨率水平，相当于世界上所有在轨卫星的最高水平，我们已经达到了世界最高水平。

塑料闪烁体探测器下方是硅阵列探测器，由中国科学院高能物理研究所牵头的国际合作团队研制，成员包括瑞士日内瓦大学和意大利佩鲁贾大学。它的主要作用是测量粒子的方向和电荷。

这种探测器的水平可以用位置分辨率来表示，探测器位置分辨率的精度优于60微米。上图中的灰影是计算模拟的最高水平，与理论结果吻合较好，说明我们的探测器达到了世界上最先进的伽马射线望远镜的水平。

在硅阵列探测器下面有一个叫做BGO量热计的探测器。整个探测器重1.4吨，仅BGO量热仪就有一吨重。它的主要任务是测量入射粒子的能量和方向，识别粒子的类型。由中国科技大学和紫金山天文台联合开发。BGO探测器中有世界上最长的晶体，长达60厘米。

卫星项目立项前，我们和硅酸盐所合作，花了几年时间研发这种晶体，效率高，成本低。这是目前在天空中飞行的最长的BGO闪烁晶体。那么BGO量热仪的水平如何呢？在测量入射粒子的能量方面，能量分辨率达到1%，是世界最高水平，远超其他在天空中飞行的卫星探测器。

中子探测器由中科院紫金山天文台研制，主要功能是识别粒子。我们知道宇宙射线的质子和重核会与探测器相互作用产生大量的次级中子，而电子和伽马射线会产生稍微少一点的次级中子。据此，我们可以识别粒子。

上图中，彩图的左下角是电子伽马的候选事例，背景在它的上方。我们可以看到，在TeV水平，只有中子探测器才能很好地识别它。这是世界上首次使用中子探测器识别TeV以上的粒子。我们发现这是一个非常成功的方法。

由于国内没有高能粒子加速器，所以我们的探测器研制完成后，会运到瑞士的CERN，用加速器产生的高能粒子模拟天空中所有的高能粒子，来验证性能，校准我们的探测器。我们总共花了六个月的时间测试了从质子和电子到伽马射线、重核等等的一切，以验证探测器的性能。测试表明，各项指标均满足后续科研需求。

探测器建成后，为了保证卫星交付时75916子探测器正常工作，我们在地面通过宇宙线粒子进行了长期测试，证明探测器、软件和功能全部满足在轨交付前的要求。悟空卫星在轨运行情况如何？

“悟空”卫星于2015年底发射，卫星重量1850千克，探测器重量1415千克。在中科院微小卫星创新研究所工程师和领导的支持下，研制出了这个高载荷重量比的探测器。卫星的设计寿命是三年，但根据目前的测试结果，所有的探测器都完美地工作。我们预计，卫星在天空中的实际服役时间将远远超过其设计寿命。

卫星每天绕地球运行15圈，平均每秒钟得到60个高能粒子，每天得到500万个高能粒子。发射后近两年，卫星非常稳定，如塑料闪烁体探测器、BGO量能器、中子探测器等，稳定度优于0.5%，基本不随时间变化。天上悟空卫星的观测悟空卫星的研制难度有多大？

在研制卫星的过程中，最大的挑战是粒子识别。这颗卫星与世界上其他卫星的不同之处在于，我们要观测所有的高能粒子，而世界上其他卫星都有专门的功能。比如伽玛射线望远镜只观测伽玛射线，高能粒子探测器只观测带电粒子。但是我们要观察所有的粒子，不仅是伽马射线，还有带电粒子。

天空中粒子的情况很复杂。最大的情况是每个粒子的流动完全不同。以高能宇宙线的主要成分质子为例，它的通量比电子高1000倍，比伽马射线高100万倍，所以你要想观测伽马射线，必须把质子背景降低至少2000万倍。举个例子，在一个2000万的大城市，找到20个人不认错一个人是很难的。

但由于一些特殊的设计原则和工程师的工程措施，我们的探测器几乎可以完美地工作。上图是原始数据，我们的电子和质子区分的很清楚。根据这张图，我们可以计算出背景只占2.3%的信号流，这是世界上效率最高、背景最低的探测器，不仅可以让我们精确测量，还可以让我们看得很清楚，因为每个粒子都分布得很清楚，需要看得很清楚。

上图是我们获得的伽马射线图。上面有100多个天体伽马射线源。这张大图显示的是，我们探测器的粒子分辨能力是完美的。

为什么这么说？刚才我们提到，伽马射线的通量只有宇宙射线的百万分之一。如果要探测伽马射线，就必须减去宇宙射线的背景。只要一个探测器或者小探测器不工作，宇宙射线带电粒子就会从坏的小探测器被吸进去。宇宙线的分布是各向同性的，无处不在。

但是伽马射线的分布是银河系的一个圆盘，你可以清楚的看到中间的圆盘，证明我们的伽马探测非常准确，背景很低，说明我们的粒子识别非常有效。

第二个挑战是100万倍的动态范围。“悟空”卫星希望通过观测从GeV到10 TeV以上的高能电子和伽马射线来探测暗物质粒子，要求单个探测器的动态范围达到100万倍。

这是一个物理概念。简单来说，如果你把“悟空”卫星的“眼睛”当成人眼来看，你要看到一个2米高的篮球运动员，同时你还能看到他体内最小的细胞，一般只有2微米的血小板。这是一件非常困难的事情。我们基本上用了十年的时间来解决这个问题。最后在中科大几位退休教授和国内相关单位的支持下解决了问题。

为了满足100万次的动态范围，两位教授花了两年时间，得到了30种不同版本的电路，最终为卫星选择了最佳电路。后面光电倍增管读取的电路板只有硬币大小。不仅如此，测试结果也要符合要求，所以我们在地面和加速器上做了大量的实验，包括太空中的标定实验。结果证明，动态范围和信息接近完美，满足设计要求。

所以，综上所述，“悟空”是世界上第一次在太空中观测到TeV上的波段，相当于为宇宙观测打开了一个新的窗口，因为不同的波段反映了不同的物理成分。比如你用眼睛看普通相机拍出来的照片，都是一样的；当你去医院照x光时，你会看到另一个图像。拍个微波照，另一个图像。不同的形象反映出不同的身体构成，都是你，但反映出你的不同处境。

所以，打开一个新的观察窗口后，我们可以看到新的物理现象。而且，开窗不仅仅是为了看，更是为了看得清楚准确。刚才说了，我们的卫星是世界上效率最高，背景最低的探测器，证明我们看得清楚；电荷测量、能量测量、方向测量的指标基本达到了世界最先进水平，说明我们是可以精确测量的。

以上知识分享希望能够帮助到大家！