北京時間9月5日19時39分，新一代“天格計劃2.0：MeV伽馬探測納衛(wèi)星星座（MASS核天體物理譜線巡天）”的首個納衛(wèi)星技術(shù)驗證載荷MASS-Cube于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載谷神星一號遙十五運載火箭成功發(fā)射入軌。MASS-Cube任務(wù)是國際上首個基于三維位置靈敏碲鋅鎘（CdZnTe）探測器技術(shù)、專為MeV能區(qū)伽馬譜線探測設(shè)計的納衛(wèi)星康普頓望遠鏡。項目由清華大學(xué)牽頭，得到清華大學(xué)2030創(chuàng)新行動計劃重大項目支持，由工物系攜手中國科學(xué)院高能物理研究所、星測未來等單位共同實施，致力構(gòu)建我國自主的MeV能區(qū)空間觀測平臺，推動我國在國際前沿科學(xué)領(lǐng)域取得原創(chuàng)突破。

圖1.火箭發(fā)射瞬間（圖片來源：星河動力航天）

MeV能區(qū)（0.1–10MeV）伽馬譜線是探索極端天體物理過程的關(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)信號等重大科學(xué)問題。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測手段，成為全球公認的“MeV Gap”，亟需發(fā)展新一代關(guān)鍵技術(shù)。MASS項目旨在實現(xiàn)對MeV特征伽馬譜線的高靈敏度探測與成像，填補MeV譜線直接成像觀測的空白，推動暗物質(zhì)探測與宇宙元素起源等研究。

美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）等機構(gòu)都在論證下一代伽馬射線觀測科學(xué)衛(wèi)星，并形成一個普遍共識：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)、搶先開展科學(xué)觀測的關(guān)鍵窗口期。例如，美國NASA小型探索任務(wù)（Small Explorer）經(jīng)過數(shù)年的激烈競爭遴選支持了COSI項目，由加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）主導(dǎo)，計劃2027年發(fā)射。清華大學(xué)主導(dǎo)的MASS項目采用和COSI不同的室溫半導(dǎo)體CdZnTe技術(shù)路線，相對于COSI任務(wù)HPGe技術(shù)路線需要液氮低溫，該技術(shù)方案擁有能量和空間分辨率相當，并且能夠室溫工作的優(yōu)勢，適合微小衛(wèi)星技術(shù)實現(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。基于任務(wù)規(guī)模和觀測能力，其核心科學(xué)目標聚焦于銀河系中心511keV正電子湮滅線的探測。這一明亮譜線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、湮滅等多種物理過程。同時，作為MASS任務(wù)的先導(dǎo)實驗，MASS-Cube將開展三維位置靈敏CdZnTe探測器的關(guān)鍵技術(shù)驗證與在軌性能評估測試，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)示意圖與正樣實物

清華大學(xué)工物系曾鳴教授和李玉蘭研究員團隊在多個國家自然科學(xué)基金和國家級人才項目持續(xù)支持下，歷時十年發(fā)展了成熟的三維位置靈敏CdZnTe探測器關(guān)鍵技術(shù)，并在MASS項目的實施中解決了從納衛(wèi)星載荷設(shè)計到探測器輻射損傷等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

“MASS核天體物理譜線巡天”項目作為下一代“天格計劃2.0：MeV伽馬探測納衛(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)載荷的長期技術(shù)積累。十年間，一批從“天格計劃”中成長起來的博士生成為了這一重要科學(xué)任務(wù)的主力。

“天格計劃”由清華大學(xué)發(fā)起，是一個以本科生學(xué)生團隊為主體的空間科學(xué)項目，也是一個理工學(xué)科交叉的基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)項目，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源為主要科學(xué)目標。目前“天格計劃”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)、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院空間科學(xué)中心等20余所高校和研究所共同參與。