“悟空”这七年

来源: 科普中国 ┆ 时间: 2022-12-17 16:05:23

今天，“悟空”号暗物质粒子探测卫星7岁啦！自2015年12月17日在酒泉卫星发射中心成功发射升空以来，“悟空”至今已稳定运行7年，远超预期寿命，目前各项探测器指标依然保持良好的工作状态。

截至2022年12月17日，“悟空”号已平稳在轨运行2557天，累计绕地飞行38952轨，完成全天区扫描14次，共探测到130亿高能粒子，平均每天记录约500万高能粒子。共计形成高级数据产品（2A级）216TB。

(相关资料图)

悟空号凭借其高能量分辨率和大接受度，在宇宙线能谱直接探测中具有独特的优势。“悟空”7年运行期间取得7项重要科学成果，对宇宙线电子、质子、氦核能谱和硼碳及硼氧比例做出了精确的测量，发现系列能谱结构，在单能伽马射线线谱和分数电荷等搜寻中取得国际领先水平的成果。

1发现电子能谱TeV拐折

悟空号正负电子能谱（红点）和其他实验结果对比。图源：悟空号合作组 (2017, Nature, 552, 63)

获得25 GeV - 4.6 TeV能段正负电子能谱结构的精确测量结果，首次以高置信度发现能谱在0.9 TeV处的拐折结构，为理解宇宙线正负电子的起源和限制暗物质模型参数提供了重要观测数据。该成果入选2018年度中国科学十大进展。

2发现质子能谱14 TeV拐折

悟空号质子能谱（红点）和其他实验结果对比。图源：悟空号合作组 (2019, Science Advances, 5, eaax3793)

精确测量40 GeV - 100 TeV能段宇宙射线质子能谱，以高置信度揭示质子能谱在14 TeV处的变软拐折行为，可能是邻近宇宙射线加速源留下的印记。该成果入选2019年度中国十大天文科技进展。

3发现氦核能谱34 TeV拐折

悟空号氦核能谱（红点）和其他实验结果对比。图源：悟空号合作组 (2021, Physical Review Letters, 126, 201102)

精确测量70 GeV - 80 TeV能段宇宙射线氦核能谱，以高置信度揭示氦核能谱在34 TeV处的变软拐折行为。氦核能谱和质子能谱结构体现出高度相似性，表明其具有共同的物理起源。

4揭示电子福布斯下降恢复时间新特征

悟空号正负电子流量随时间的变化（绿点）和悟空号无触发事例（粉线）以及地面中子监视器（蓝线）结果对比。图源：悟空号合作组 (2021, The Astrophysical Journal Letters, 920, L43)

悟空号观测到2017年9月一次巨大日冕物质抛射事件导致的正负电子流量的福布斯下降行为，并准确测量了流量下降后的恢复时间随着能量的变化关系，揭示出和传统理论预期不完全相符的新特征，为理解宇宙射线在太阳系内的输运过程以及和太阳活动的关系提供了新的数据。

5获得伽马射线线谱最灵敏探测结果

悟空号对产生单能伽马射线线谱的暗物质衰变寿命排除区域（阴影）。图源：悟空号合作组 (2022, Science Bulletin, 67, 679)

借助其非常高的能量分辨率（~1%），悟空号对伽马射线线谱辐射进行了高灵敏度的搜寻，对暗物质湮灭或衰变产生单能伽马射线线谱的模型给出了严格限制，其中对湮灭模型参数的限制和Fermi-LAT的结果相当，而对衰变模型参数的限制优于Fermi-LAT结果，为国际上最好水平。

6发现硼碳和硼氧比例能谱拐折

悟空号宇宙线硼碳比例（红点）和其他实验结果对比。蓝色虚线为传统模型预期。图源：悟空号合作组 (2022, Science Bulletin, 67, 2162)

精确测量了10 GeV/n - 5.6 TeV/n能段的硼碳比例和硼氧比例能谱，揭示出二者在100 GeV/n处的显著拐折行为，意味着高能段宇宙射线传播速度比预想的更慢，对传统宇宙射线传播模型提出了挑战。

7获得宇宙空间分数电荷粒子最灵敏探测结果

悟空号对2/3e粒子设出的流量上限（红点）和其他实验结果对比。左图为地面实验结果，右图为空间实验结果。图源：悟空号合作组 (2022, Physical Review D, 106, 063026)

悟空号对宇宙空间中可能存在的分数电荷粒子进行了高灵敏度搜寻，对电荷绝对值为2/3电子电量的分数电荷粒子流量给出了严格限制，其上限比此前的空间实验结果低两到三个数量级。

“悟空”还将继续在太空中尽情施展自己的功力，为中国空间科学的宏伟画卷增添新的色彩。