清華大學新一代“天格計劃”首個納衛星康普頓望遠鏡成功發射

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

圖1.火箭發射瞬間（圖片來源：星河動力航天）

MeV能區（0.1–10MeV）伽馬譜線是探索極端天體物理過程的關鍵探針，直接關聯恒星核合成、致密天體吸積爆發、正電子湮滅及潛在暗物質信號等重大科學問題。受限于高環境本底與康普頓成像技術難度，該能區至今缺乏高靈敏度觀測手段，成為全球公認的“MeV Gap”，亟需發展新一代關鍵技術。MASS項目旨在實現對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）等機構都在論證下一代伽馬射線觀測科學衛星，并形成一個普遍共識：2020年代中期是采用中小衛星或微納衛星突破關鍵技術、搶先開展科學觀測的關鍵窗口期。例如，美國NASA小型探索任務（Small Explorer）經過數年的激烈競爭遴選支持了COSI項目，由加州大學伯克利分校（UC Berkeley）主導，計劃2027年發射。清華大學主導的MASS項目采用和COSI不同的室溫半導體CdZnTe技術路線，相對于COSI任務HPGe技術路線需要液氮低溫，該技術方案擁有能量和空間分辨率相當，并且能夠室溫工作的優勢，適合微小衛星技術實現和靈活組成星座。

圖2.搭載MASS-Cube載荷的天儀TY170衛星整星（圖片來源：天儀研究院）

此次發射的MASS-Cube載荷體積約1U，質量約1kg，科學目標能區為0.1–2MeV，662keV處能量分辨率（FWHM/E）優于1%，深度分辨率（σ）優于1mm。基于任務規模和觀測能力，其核心科學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界數十年的重大謎題，可能關聯超新星爆發、大質量恒星演化及暗物質粒子退激、湮滅等多種物理過程。同時，作為MASS任務的先導實驗，MASS-Cube將開展三維位置靈敏CdZnTe探測器的關鍵技術驗證與在軌性能評估測試，為后續任務奠定關鍵技術基礎。

圖3.MASS-Cube載荷內部結構示意圖與正樣實物

清華大學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基金和國家級人才項目持續支持下，歷時十年發展了成熟的三維位置靈敏CdZnTe探測器關鍵技術，并在MASS項目的實施中解決了從納衛星載荷設計到探測器輻射損傷等諸多技術挑戰。

“MASS核天體物理譜線巡天”項目作為下一代“天格計劃2.0：MeV伽馬探測納衛星星座”的重要科學載荷之一，有著先后成功研制和發射13顆納衛星科學載荷的長期技術積累。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任務的主力。

“天格計劃”由清華大學發起，是一個以本科生學生團隊為主體的空間科學項目，也是一個理工學科交叉的基礎科學人才培養項目，以尋找與引力波、快速射電暴成協的伽馬暴及其他高能天體物理瞬變源為主要科學目標。目前“天格計劃”合作組已有清華大學、南京大學、四川大學、北京師范大學、中國科學院高能物理研究所、中國科學院空間科學中心等20余所高校和研究所共同參與。