【編者按】 

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

“悟空”衛(wèi)星又名暗物質粒子探測衛(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，昭示著中國人此后有了自己的空間天文衛(wèi)星。發(fā)射當天，《Nature》雜志在線發(fā)表了評論，“‘悟空’號開啟了中國空間科學新時代”。

“悟空”原本設計壽命3年，經過三次延壽運行，至今已穩(wěn)定運行超6年半時間，目前各項探測器指標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

中國天文學家的追夢之路

中國人的天文之路，并不平坦。民國時期，第一代中國天文學家曾為建立中國天文研究機構奔走呼號，終圓夢南京紫金之巔，成立紫金山天文臺；1970年，“東方紅一號”的順利飛天，向世界宣告中國進入了太空時代。

 上世紀七十年代，隨著國家戰(zhàn)略需求的發(fā)展，中國科學院紫金山天文臺研究員張和祺牽頭提出“天文一號”衛(wèi)星，它是我國第一個空間太陽觀測衛(wèi)星計劃，于1978年正式立項啟動研制，并被列入國家“兩星一站”計劃（繼“兩彈一星”任務后）。

為此，紫金山天文臺專門成立了空間天文實驗室，并承擔了若干探測器的研制任務。這顆衛(wèi)星載荷總重量30千克，預計軌道高度為500千米、傾角50o左右，計劃以1980-1981太陽活動第21個峰年為契機，發(fā)射運行。

1983年，星上幾個主要探測器完成了包括所有環(huán)境模擬試驗和系統(tǒng)聯(lián)試的研制全過程，各項性能指標也達到了設計要求。然而因各類客觀因素，工程項目被迫終止。但中國天文學家的夢想并未止步。

我國空間科學衛(wèi)星數(shù)目從0到1

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

常進院士于上世紀90年代初進入中國科學院紫金山天文臺工作，主要研究方向是空間高能粒子的探測，但當時我國的空間天文領域幾乎一片空白，只能在他人數(shù)據(jù)基礎上探求發(fā)展。在此過程中，常院士發(fā)現(xiàn)了可以大幅提升質子、電子鑒別能力的新方法。

質子、電子分辨為何重要？這與空間高能粒子——宇宙射線有關，簡稱宇宙線。高能電子宇宙線與質子宇宙線相比，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，探測電子，相當于在以質子宇宙線為背景的環(huán)境中“大海撈針”。

此前，為鑒別質子、電子，科學家需要將探測器做得又大又厚，這意味著龐大的預算。而常進發(fā)現(xiàn)的新方法，在舊方法基礎上刻畫粒子在探測器里的橫向發(fā)展，同時構造橫向、縱向的聯(lián)合參數(shù)。這樣，薄的探測器就能實現(xiàn)非常高的質子、電子分辨，為空間探測實驗提供了新的發(fā)展思路。

悟空衛(wèi)星在軌示意圖。圖片來源：紫金山天文臺

1998年，正在德國進修的常進了解到美國南極長周期氣球探測項目（主要用于觀測高能宇宙線）。在常進的極力勸說下，其新方法最終在該項目中得到應用。盡管在探測器上沒有花費一分錢，成果仍以常進為第一作者的論文于2008年發(fā)表在《自然》雜志上。這一試驗驗證了新方法的可靠，也預示著新的學科方向。

2011年，中國科學院受國務院委托，負責實施空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項，常進提出的暗物質粒子探測衛(wèi)星得以立項，后被命名為“悟空號”。經過團隊共同努力，“悟空”于2015年12月17日順利發(fā)射，終于實現(xiàn)了我國天文衛(wèi)星零的突破。

“悟空”的火眼金睛

“悟空”入軌后便很快產生科學數(shù)據(jù)，同時地面測控工作人員和科學應用系統(tǒng)的工作人員開啟了“陪跑”之路，中國天文學家終于掌握了第一手的觀測數(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，探測到了極微量的電子宇宙線，同時，它也能精確測量質子、氦核等原子核宇宙線。

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

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

“悟空”合作組于2019年、2021年先后發(fā)布了質子與氦核宇宙線的能譜測量結果，第一次以高置信度發(fā)現(xiàn)了能譜在高能的變軟結構，這些發(fā)現(xiàn)對宇宙線加速、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

2021年10月，“悟空”合作組發(fā)表了對2017年9月一次劇烈太陽爆發(fā)活動導致的電子宇宙線流量下降事件并對其恢復特征進行了精確測量。2021年12月，合作組發(fā)布了暗物質湮滅到伽瑪線譜的嚴格限制。

悟空衛(wèi)星2021年發(fā)布的因為太陽活動導致電子宇宙線下降幅度（上圖）、恢復時間的特征（下圖）圖片來源：紫金山天文臺

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

經過數(shù)年的在軌觀測，“悟空”探測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，共探測并處理了約117.6億個高能粒子。 

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

回顧整個項目，從我國科學家領銜提出科學目標，各單位協(xié)力合作研制探測器，到最終成功發(fā)射；從獲取觀測數(shù)據(jù)到在軌延壽運行；從原始數(shù)據(jù)分析到收獲重要原創(chuàng)成果，幾代天文學家的天文衛(wèi)星設想，最終夢圓“悟空”，也開啟了中國空間科學的新時代。

（作者彭曉艷系中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文重點實驗室工程師，馬鵬雄系中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文重點實驗室助理研究員）

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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內外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國天文學會主辦，中國科學院上海天文臺和國際天文學聯(lián)合會天文促發(fā)展辦公室東亞區(qū)域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎科學促進可持續(xù)發(fā)展國際年系列活動之一。