“悟空”卫星的研制有多难？

在研制卫星的过程中，最大的挑战是粒子鉴别。

这颗卫星和国际上其它的卫星不一样的是，我们是要观测所有的高能粒子，而国际上的其它卫星功能都是专门的，比如伽马射线望远镜只观测伽马射线，高能粒子探测器只观测带电粒子。但我们要观测所有的粒子，不光是伽马射线，还观测带电粒子。

天上的粒子情况很复杂，最大的情况就是每一种粒子的流量完全不一样。以高能宇宙射线的主要成分——质子来说，它的流量要比电子高1000倍，要比伽马射线高100万倍，因此你要观测伽马射线必须要把质子本底至少降低2000万倍。打个比方来讲，在一个2000万的大城市要去寻找20个人，不能弄错一个人，这是一个难度很大的事。

但我们的探测器由于一些特殊的设计原理和工程师们的工程措施，让工作几乎完美了。

上图是原始数据，我们的电子和质子区分得很清楚。

根据这张图，我们可以计算出来本底只占2.3%信号流，这是世界上堪称效率最高、本底最低的探测器，既让我们测得准，又让我们看得清，因为每种粒子都分布得很清楚，要看得清。

上图是我们获得的伽马射线图。这上面有100多个天体的伽马射线源。用这张大图表明的是，我们探测器的粒子鉴别本领很完美。

为什么这么说？刚才我们提到，伽马射线的流量只有宇宙射线质子流量的百万分之一，你要探测伽马射线，必须要把宇宙射线本底减掉。只要一个探测器或者小探测器不工作，这个宇宙射线带电粒子会从坏的这个小探测器吸入进来。宇宙射线的分布是各向同性的，每个地方都有。但伽马射线的分布是一个银河系的盘状，你可以很清楚地看到中间一个盘状，这就证明我们的伽马探测很准确，本底很低，说明我们的粒子鉴别很有效果。

第二个挑战，是100万倍的动态范围。

“悟空”卫星希望通过观测GeV到10个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。

这个是个物理概念，简单来讲，就是把“悟空”卫星的“眼睛”作为人的眼睛来看的话，你要看到一个2米高的篮球运动员，同时还能看到他身上最小的细胞，一般来讲是只有2微米的血小板。这是一件难度很大的事情。

我们为了解决这个问题，基本上花费了十年时间。最后得到了中国科学技术大学几位退休的老教授和国内相关单位的支持，解决了这个问题。

为了电路板满足100万倍的动态范围，这两位教授花费了两年的时间，得到了30个不同版本的电路，最后选择了一个最好的电路用在卫星上。后面光电倍增管读出的线路板只有1块硬币的大小。不光这样，测试结果也要满足要求，所以我们在地面做大量的实验，在加速器上做大量的实验，包括在空间做标定实验，结果证明动态范围和信息几乎完美，达到了设计要求。

所以，总结一下：“悟空”是世界上第一次在空间观测TeV上的波段，这就相当于打开了宇宙观测的新窗口，因为不同的波段反映了不同的物理构成。

打个比方，你用眼睛去看普通相机拍出来的照片，是一个样子；你到医院照X光，看到的是另外一幅图像；用微波照，又是另外一幅图像。不同的图像反映了不同的物理构成，都是你，但反映了你不同的情况。

所以，打开了新的观测窗口以后，我们能够看到新的物理现象。而且，打开窗口不光是要看，还要看得清、测得准。刚刚提到，我们的卫星有世界上效率最高、本底最低的探测器，这样证明我们看得清；实现电荷测量、能量测量、方向测量的指标，基本能够达到了国际最领先的水平了，这表明我们测得准。

“悟空”在宇宙中，都“看”到了什么？

到目前为止，我们在天将近两年，全天扫描了4次，获得了超过35亿的高能粒子。

上面右图的横坐标是时间，纵坐标是粒子数目，每天在稳定地增长，如果有一天仪器出了问题，它就不是一条直线，它就要掉下来，所以这个直线你看稳定在那，就证明我们在天上没有浪费一分钟，所有的时间都在正常地工作。

5TeV的高能电子

这是我们在天上看到的一个5TeV的高能电子，也是人们在天上第一次直接看到这么高能量的高能电子。