清華大學(xué)新一代“天格計(jì)劃”首個(gè)納衛(wèi)星康普頓望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射

北京時(shí)間9月5日19時(shí)39分，新一代“天格計(jì)劃2.0：MeV伽馬探測(cè)納衛(wèi)星星座（MASS核天體物理譜線(xiàn)巡天）”的首個(gè)納衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證載荷MASS-Cube于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載谷神星一號(hào)遙十五運(yùn)載火箭成功發(fā)射入軌。MASS-Cube任務(wù)是國(guó)際上首個(gè)基于三維位置靈敏碲鋅鎘（CdZnTe）探測(cè)器技術(shù)、專(zhuān)為MeV能區(qū)伽馬譜線(xiàn)探測(cè)設(shè)計(jì)的納衛(wèi)星康普頓望遠(yuǎn)鏡。項(xiàng)目由清華大學(xué)牽頭，得到清華大學(xué)2030創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃重大項(xiàng)目支持，由工物系攜手中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、星測(cè)未來(lái)等單位共同實(shí)施，致力構(gòu)建我國(guó)自主的MeV能區(qū)空間觀(guān)測(cè)平臺(tái)，推動(dòng)我國(guó)在國(guó)際前沿科學(xué)領(lǐng)域取得原創(chuàng)突破。

圖1.火箭發(fā)射瞬間（圖片來(lái)源：星河動(dòng)力航天）

MeV能區(qū)（0.1–10MeV）伽馬譜線(xiàn)是探索極端天體物理過(guò)程的關(guān)鍵探針，直接關(guān)聯(lián)恒星核合成、致密天體吸積爆發(fā)、正電子湮滅及潛在暗物質(zhì)信號(hào)等重大科學(xué)問(wèn)題。受限于高環(huán)境本底與康普頓成像技術(shù)難度，該能區(qū)至今缺乏高靈敏度觀(guān)測(cè)手段，成為全球公認(rèn)的“MeV Gap”，亟需發(fā)展新一代關(guān)鍵技術(shù)。MASS項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)MeV特征伽馬譜線(xiàn)的高靈敏度探測(cè)與成像，填補(bǔ)MeV譜線(xiàn)直接成像觀(guān)測(cè)的空白，推動(dòng)暗物質(zhì)探測(cè)與宇宙元素起源等研究。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）等機(jī)構(gòu)都在論證下一代伽馬射線(xiàn)觀(guān)測(cè)科學(xué)衛(wèi)星，并形成一個(gè)普遍共識(shí)：2020年代中期是采用中小衛(wèi)星或微納衛(wèi)星突破關(guān)鍵技術(shù)、搶先開(kāi)展科學(xué)觀(guān)測(cè)的關(guān)鍵窗口期。例如，美國(guó)NASA小型探索任務(wù)（Small Explorer）經(jīng)過(guò)數(shù)年的激烈競(jìng)爭(zhēng)遴選支持了COSI項(xiàng)目，由加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）主導(dǎo)，計(jì)劃2027年發(fā)射。清華大學(xué)主導(dǎo)的MASS項(xiàng)目采用和COSI不同的室溫半導(dǎo)體CdZnTe技術(shù)路線(xiàn)，相對(duì)于COSI任務(wù)HPGe技術(shù)路線(xiàn)需要液氮低溫，該技術(shù)方案擁有能量和空間分辨率相當(dāng)，并且能夠室溫工作的優(yōu)勢(shì)，適合微小衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)和靈活組成星座。

圖2.搭載MASS-Cube載荷的天儀TY170衛(wèi)星整星（圖片來(lái)源：天儀研究院）

此次發(fā)射的MASS-Cube載荷體積約1U，質(zhì)量約1kg，科學(xué)目標(biāo)能區(qū)為0.1–2MeV，662keV處能量分辨率（FWHM/E）優(yōu)于1%，深度分辨率（σ）優(yōu)于1mm?；谌蝿?wù)規(guī)模和觀(guān)測(cè)能力，其核心科學(xué)目標(biāo)聚焦于銀河系中心511keV正電子湮滅線(xiàn)的探測(cè)。這一明亮譜線(xiàn)的起源是困擾天體物理學(xué)界數(shù)十年的重大謎題，可能關(guān)聯(lián)超新星爆發(fā)、大質(zhì)量恒星演化及暗物質(zhì)粒子退激、湮滅等多種物理過(guò)程。同時(shí)，作為MASS任務(wù)的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，MASS-Cube將開(kāi)展三維位置靈敏CdZnTe探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證與在軌性能評(píng)估測(cè)試，為后續(xù)任務(wù)奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3.MASS-Cube載荷內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖與正樣實(shí)物

清華大學(xué)工物系曾鳴教授和李玉蘭研究員團(tuán)隊(duì)在多個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家級(jí)人才項(xiàng)目持續(xù)支持下，歷時(shí)十年發(fā)展了成熟的三維位置靈敏CdZnTe探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)，并在MASS項(xiàng)目的實(shí)施中解決了從納衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)到探測(cè)器輻射損傷等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

“MASS核天體物理譜線(xiàn)巡天”項(xiàng)目作為下一代“天格計(jì)劃2.0：MeV伽馬探測(cè)納衛(wèi)星星座”的重要科學(xué)載荷之一，有著先后成功研制和發(fā)射13顆納衛(wèi)星科學(xué)載荷的長(zhǎng)期技術(shù)積累。十年間，一批從“天格計(jì)劃”中成長(zhǎng)起來(lái)的博士生成為了這一重要科學(xué)任務(wù)的主力。

“天格計(jì)劃”由清華大學(xué)發(fā)起，是一個(gè)以本科生學(xué)生團(tuán)隊(duì)為主體的空間科學(xué)項(xiàng)目，也是一個(gè)理工學(xué)科交叉的基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)項(xiàng)目，以尋找與引力波、快速射電暴成協(xié)的伽馬暴及其他高能天體物理瞬變?cè)礊橹饕茖W(xué)目標(biāo)。目前“天格計(jì)劃”合作組已有清華大學(xué)、南京大學(xué)、四川大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)中心等20余所高校和研究所共同參與。