编者按：1.本文共个字，阅读需要约9-11分钟，请耐心阅读。为了避免找不见，可先收藏再阅读。2.文章涉及部分物理知识和专业术语可查阅相关资料配合阅读。

01背景

星系旋转曲线与弥散速度分布、星系团观测、宇宙微波背景辐射等大量证据表明宇宙中存在一种未知的物质，而这种物质被科学家命名为“暗物质”，它是可能存在于宇宙中的一种不可见的但又不同于其他已知天体结构的物质。

为了进一步研究“暗物质”，科学家提出了弱作用重粒子模型（WIMP），即相互作用微弱、质量较重的新粒子。它的主要内容是：暗物质粒子之间以非常弱小的概率湮灭，暗物质粒子也能以非常缓慢的速度发生衰变，湮灭和衰变产生平时可观测到的如正负电子、正反质子、伽马光子、中微子等普通粒子。这些粒子带有较高的能量在宇宙空间中穿梭，人类可以向天空发射探测器来观测和捕捉这些粒子，通过对这些粒子的探测可以间接研究“暗物质”。

02“悟空”号的组成及各部件作用

为了研究“暗物质”，我国于年12月17日通过长征二号丁运载火箭将第一颗用于空间高能粒子探测的卫星“悟空号”送入空间轨道。截止目前，“悟空号”已经运行了将近7年，它具有覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强等特点。那么“悟空”号是如何探测暗物质的呢。

宇宙线粒子千差万别，多种多样。如何准确鉴别出不同粒子并精确测量是很大的挑战。而“悟空”的设计正好能解决这个问题。它的核心组成有四个部分（如下图），位于顶部的是塑闪阵列探测器（PSD），中间则是硅微条径迹探测器（STK）和电磁量能器（BGO），底端是中子探测，各部分发挥的作用也有所不同。

塑料闪烁体探测器由两层塑料闪烁体条组成，当有粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲，从分析这些电脉冲达到鉴别能量粒子绝对电荷的目的。

硅阵列探测器由6个径迹双层，每个由正交摆放的两个单面硅条组成，当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时，将产生电子-空穴对，在高电场的作用下，电子向正极(底板)漂移，空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴(实为电子)运动产生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号，经过前置放大器将信号放大，再经过模拟通道、比较器、模数转换(ADC)后读入计算机。根据探测器系统测得的带电粒子的信息，及带电粒子在各个微条上的位置参量，可以确定各有关带电粒子的运动轨迹及对撞后末态粒子的次级顶点等。根据谱仪内的磁场强度和粒子运动的轨迹可以计算出每个带电粒子的动量。一言以蔽之，硅阵列探测器是测量粒子或射线的空间分布的。

接下来我们来看BGO能量器，它是“悟空”号最为重要的组成部分，BGO量能器分系统的有效功能单元主要包括BGO探测器和相应的前端电子学（简称FEE），其次包括探测器和电子学的支撑屏蔽结构。BGO探测器主要由根锗酸铋（Bi4Ge3O12，简称BGO）晶体构成，当入射粒子通过量能器时，由于粒子与介质原子的相互作用（电磁相互作用或强相互作用），将高能粒子簇射在晶体单元中的沉积能量转换成相应的荧光信号输出，然后通过光电器件与晶体进行耦合，实现光信号到电信号的转换并输出。

前端电子学（FEE）则能实现探测器信号的读出（及电荷测量及数字化）。在“悟空”号中，设计了三种型号的FEE板，分别命名为A、B、C（如下图）。这三种FEE功能类似，但通道数和机械尺寸略有不同。其中A型板负责一侧两层探测器单元的读出，其中2、5、8打拿极各44路信号，共计路，且每层的全部第5、8打拿极各相“或”成一路击中（Hit）信号，送给数管机箱内的触发板。B型板也负责一侧两层探测器单元的读出，其中2、5、8打拿极各44路信号，共计路，但不产生击中信号。C型板负责一侧一层探测器单元的读出，其中2、5、8打拿极各22路信号，共计66路，不产生击中信号。通过这些部件BGO能量器能对空间的主要粒子电子和质子进行区分，它的能量分辨率达到世界最先进水平，优于美国费米卫星和日本电子能量器。

在“悟空”号探测器底部还放置了一个中子探测器，可以进步改进和增强电子-质子区分能力。当有质子打进来会在底端会产生很多中子，而高能宇宙线的电子打进来，产生的中子很少。同时，不同能量产生的簇射的大小也不同，可以利用这一原理达到区分的目的。

有了塑闪阵列探测器、硅微条径迹探测器、电磁量能器、中子探测器，“悟空”号可以精确测量宇宙线粒子的电荷、方向、能量、种类，研究员基于这些数据可以开展对反物质（主要）、宇宙射线、伽马射线天体的研究。

03“悟空”号取得了哪些成果

从年10月以来，“悟空”频繁捕捉到来自CTA-（黑洞的一种，也叫活动星系核）的伽马射线辐射,其中最高光子能量约亿电子伏特，相当于静止质子等效能量的66倍。中科院紫金山天文台于同年12月29日首次向全球发布“悟空”号对于近两个月内，频繁爆发的超大质量黑洞CTA-的伽马射线爆发观测结果，为黑洞的研究提供了可靠的数据基础。

年12月合作组发布了宽能段正负电子能谱的精确测量数据，这是“悟空”号首个空间探测的科学成果。此次成果显示“悟空”号将正负电子能谱直接测量提升至5万亿电子伏特（Tev）的水平。

年5月，合作组发表了对宇宙线氦核能谱的精确测量结果，此次结果相对以往的测量数据精确度有显著的提高，并揭示质子与氦核能谱在15-35万亿电子伏特能量水平新的拐折结构，它们极为相似的能谱结构表明质子和氦核属于同源。这项研究非常有意义，是宇宙直接探测领域的重要里程碑。

年9月7日，国家空间科学数据中心和中国科学院紫金山天文台联合公开发布“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据。后续还将继续发布伽马光子该数据，为数据分析技术应用和工具研发以及公众提供更多样、更精细、更透明的数据共享与应用服务。

年，暗物质粒子探测卫星“悟空”号国际合作组利用卫星前六年观测数据分析得到10GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙线硼/碳比和硼/氧比的精确测量结果，并发现能谱新结构。相关研究成果于10月14日在线发表在《科学通报》（ScienceBulletin）上。

年11月，从暗物质卫星“悟空”团队获悉，科研人员基于“悟空”数据，新近绘制出迄今能段最高的硼/碳、硼/氧宇宙射线粒子比能谱，并发现能谱新结构。这一最新成果显示，宇宙中高能粒子的传播可能比预想更慢。

04“悟空”号的未来应用

未来“悟空”号将继续对宇宙线进行观测，进一步完善各元素能谱，揭示能谱结构的规律及物理机制；通过更多的观测提高对正负电子能谱的测量精度；还利用“悟空”号能量分辨率高的优势，继续搜索能量伽马射线线谱。未来有望通过对正负电子能谱和伽马射线线谱的观测，对深入研究暗物质领域带来历史性的突破。

“悟空”号的研制和使用，填补了我国空间天文卫星探测领域的空白，为空间科学和技术探索提供丰富的经验，是我国迈向科技强国的重要过程，彰显了大国综合实力，是当之无愧的大国重器。

参考资料：《大国重器》、国家空间科学中心、科普中国、暗物质空间粒子探测、环球网，百度百科。