【編者按】 

2015年升空的“悟空”衛(wèi)星目前處于第三次延壽運(yùn)行階段，各項(xiàng)探測(cè)器指標(biāo)運(yùn)行良好?！拔蚩铡钡某晒Πl(fā)射意味著中國(guó)空間天文衛(wèi)星“從無到有”的突破，開啟了中國(guó)空間科學(xué)的新篇章。而它背后，是數(shù)代中國(guó)天文科學(xué)家努力探索的心血。

“悟空”衛(wèi)星又名暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，于2015年12月17日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。它的成功入軌，昭示著中國(guó)人此后有了自己的空間天文衛(wèi)星。發(fā)射當(dāng)天，《Nature》雜志在線發(fā)表了評(píng)論，“‘悟空’號(hào)開啟了中國(guó)空間科學(xué)新時(shí)代”。

“悟空”原本設(shè)計(jì)壽命3年，經(jīng)過三次延壽運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行超6年半時(shí)間，目前各項(xiàng)探測(cè)器指標(biāo)依然保持良好的工作狀態(tài)。

“悟空”衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。圖片來源：新華社

中國(guó)天文學(xué)家的追夢(mèng)之路

中國(guó)人的天文之路，并不平坦。民國(guó)時(shí)期，第一代中國(guó)天文學(xué)家曾為建立中國(guó)天文研究機(jī)構(gòu)奔走呼號(hào)，終圓夢(mèng)南京紫金之巔，成立紫金山天文臺(tái)；1970年，“東方紅一號(hào)”的順利飛天，向世界宣告中國(guó)進(jìn)入了太空時(shí)代。

 上世紀(jì)七十年代，隨著國(guó)家戰(zhàn)略需求的發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員張和祺牽頭提出“天文一號(hào)”衛(wèi)星，它是我國(guó)第一個(gè)空間太陽觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃，于1978年正式立項(xiàng)啟動(dòng)研制，并被列入國(guó)家“兩星一站”計(jì)劃（繼“兩彈一星”任務(wù)后）。

為此，紫金山天文臺(tái)專門成立了空間天文實(shí)驗(yàn)室，并承擔(dān)了若干探測(cè)器的研制任務(wù)。這顆衛(wèi)星載荷總重量30千克，預(yù)計(jì)軌道高度為500千米、傾角50o左右，計(jì)劃以1980-1981太陽活動(dòng)第21個(gè)峰年為契機(jī)，發(fā)射運(yùn)行。

1983年，星上幾個(gè)主要探測(cè)器完成了包括所有環(huán)境模擬試驗(yàn)和系統(tǒng)聯(lián)試的研制全過程，各項(xiàng)性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。然而因各類客觀因素，工程項(xiàng)目被迫終止。但中國(guó)天文學(xué)家的夢(mèng)想并未止步。

我國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星數(shù)目從0到1

2011年“悟空”衛(wèi)星立項(xiàng)之前，西方國(guó)家的空間科學(xué)衛(wèi)星與我國(guó)的空間科學(xué)衛(wèi)星的數(shù)目比大約是200與0。面對(duì)如此巨大的差距，我們何以脫穎而出？這需要提到“悟空”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士常進(jìn)研究員。

常進(jìn)院士于上世紀(jì)90年代初進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)工作，主要研究方向是空間高能粒子的探測(cè)，但當(dāng)時(shí)我國(guó)的空間天文領(lǐng)域幾乎一片空白，只能在他人數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上探求發(fā)展。在此過程中，常院士發(fā)現(xiàn)了可以大幅提升質(zhì)子、電子鑒別能力的新方法。

質(zhì)子、電子分辨為何重要？這與空間高能粒子——宇宙射線有關(guān)，簡(jiǎn)稱宇宙線。高能電子宇宙線與質(zhì)子宇宙線相比，其相同能量的數(shù)密度僅為后者的千分之一至萬分之一水平。因而，探測(cè)電子，相當(dāng)于在以質(zhì)子宇宙線為背景的環(huán)境中“大海撈針”。

此前，為鑒別質(zhì)子、電子，科學(xué)家需要將探測(cè)器做得又大又厚，這意味著龐大的預(yù)算。而常進(jìn)發(fā)現(xiàn)的新方法，在舊方法基礎(chǔ)上刻畫粒子在探測(cè)器里的橫向發(fā)展，同時(shí)構(gòu)造橫向、縱向的聯(lián)合參數(shù)。這樣，薄的探測(cè)器就能實(shí)現(xiàn)非常高的質(zhì)子、電子分辨，為空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了新的發(fā)展思路。

悟空衛(wèi)星在軌示意圖。圖片來源：紫金山天文臺(tái)

1998年，正在德國(guó)進(jìn)修的常進(jìn)了解到美國(guó)南極長(zhǎng)周期氣球探測(cè)項(xiàng)目（主要用于觀測(cè)高能宇宙線）。在常進(jìn)的極力勸說下，其新方法最終在該項(xiàng)目中得到應(yīng)用。盡管在探測(cè)器上沒有花費(fèi)一分錢，成果仍以常進(jìn)為第一作者的論文于2008年發(fā)表在《自然》雜志上。這一試驗(yàn)驗(yàn)證了新方法的可靠，也預(yù)示著新的學(xué)科方向。

2011年，中國(guó)科學(xué)院受國(guó)務(wù)院委托，負(fù)責(zé)實(shí)施空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，常進(jìn)提出的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星得以立項(xiàng)，后被命名為“悟空號(hào)”。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)共同努力，“悟空”于2015年12月17日順利發(fā)射，終于實(shí)現(xiàn)了我國(guó)天文衛(wèi)星零的突破。

“悟空”的火眼金睛

“悟空”入軌后便很快產(chǎn)生科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)地面測(cè)控工作人員和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的工作人員開啟了“陪跑”之路，中國(guó)天文學(xué)家終于掌握了第一手的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

和《西游記》神話人物孫悟空一樣，“悟空”衛(wèi)星具有的火眼金睛，探測(cè)到了極微量的電子宇宙線，同時(shí)，它也能精確測(cè)量質(zhì)子、氦核等原子核宇宙線。

2017年11月，“悟空”首批科學(xué)成果發(fā)表在權(quán)威期刊《自然》雜志上，第一次精確探測(cè)到TeV能區(qū)的正負(fù)電子，實(shí)現(xiàn)了最高的背景排除率和能量測(cè)量精度。這意味著悟空衛(wèi)星成功開啟TeV能區(qū)的觀測(cè)窗口，讓天文學(xué)界看到了新的世界。

悟空衛(wèi)星2017年發(fā)布的電子能譜（紅色點(diǎn)）。圖片來源：紫金山天文臺(tái)

“悟空”合作組于2019年、2021年先后發(fā)布了質(zhì)子與氦核宇宙線的能譜測(cè)量結(jié)果，第一次以高置信度發(fā)現(xiàn)了能譜在高能的變軟結(jié)構(gòu)，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙線加速、傳播等物理過程具有重要意義。

悟空衛(wèi)星分別于2019年發(fā)布的質(zhì)子宇宙線能譜（左）、2021年發(fā)布的氦核宇宙線能譜（右）圖片來源：紫金山天文臺(tái)

2021年10月，“悟空”合作組發(fā)表了對(duì)2017年9月一次劇烈太陽爆發(fā)活動(dòng)導(dǎo)致的電子宇宙線流量下降事件并對(duì)其恢復(fù)特征進(jìn)行了精確測(cè)量。2021年12月，合作組發(fā)布了暗物質(zhì)湮滅到伽瑪線譜的嚴(yán)格限制。

悟空衛(wèi)星2021年發(fā)布的因?yàn)樘柣顒?dòng)導(dǎo)致電子宇宙線下降幅度（上圖）、恢復(fù)時(shí)間的特征（下圖）圖片來源：紫金山天文臺(tái)

悟空衛(wèi)星2021年發(fā)布的暗物質(zhì)湮滅到伽瑪射線線譜的限制結(jié)果（紅色實(shí)線）圖片來源：紫金山天文臺(tái)

經(jīng)過數(shù)年的在軌觀測(cè)，“悟空”探測(cè)到的空間高能粒子越來越多。自2015年12月20日接收到第一幀數(shù)據(jù)，直至2022年06月01日，“悟空”累計(jì)接收數(shù)據(jù)35912軌，在軌飛行2355天，完成了全天區(qū)的第12遍掃描，共探測(cè)并處理了約117.6億個(gè)高能粒子。 

“悟空”優(yōu)良的電荷分辨率，較大的探測(cè)器接受面積，使得我們能夠探測(cè)到高能的宇宙線，而其穩(wěn)定運(yùn)行，不斷積累數(shù)據(jù)，科學(xué)結(jié)果的可靠性也不斷增強(qiáng)。

回顧整個(gè)項(xiàng)目，從我國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜提出科學(xué)目標(biāo)，各單位協(xié)力合作研制探測(cè)器，到最終成功發(fā)射；從獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)到在軌延壽運(yùn)行；從原始數(shù)據(jù)分析到收獲重要原創(chuàng)成果，幾代天文學(xué)家的天文衛(wèi)星設(shè)想，最終夢(mèng)圓“悟空”，也開啟了中國(guó)空間科學(xué)的新時(shí)代。

（作者彭曉艷系中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程師，馬鵬雄系中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員）

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發(fā)展”天文論壇特別邀約國(guó)內(nèi)外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國(guó)天文學(xué)會(huì)主辦，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)和國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文促發(fā)展辦公室東亞區(qū)域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際年系列活動(dòng)之一。