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中国首颗暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”  

2015-12-29 19:01:56|  分类: 科技能源 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国首颗暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”

作者:吴晶晶  来源:新华社

 


中国首颗暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”


“暗物质粒子探测”卫星的太阳电池翼进行展开试验。


中国首颗暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”


“暗物质粒子探测”卫星力学振动试验。

 

中国首颗暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”

“暗物质粒子探测”卫星

悟空”肩负着去太空寻找暗物质存在证据的使命,它拥有“火眼金睛”,观测能段、能量分辨率超过国际上其他同类探测器,可谓“神通广大”,有望在物理学前沿带来重大突破。在人类的太空探索中,天文卫星的问世使天文学产生了第三次飞跃,因为它改变了以往坐地观天的传统,摆脱了大气层的封锁,可在全波段范围内对宇宙空间进行详细的观测。自从1960年世界第一颗天文卫星上天以来,可见光天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星、红外天文卫星和紫外天文卫星等各类天文卫星层出不穷,其观测成果极大地促进了天文学的发展。

经过多年努力,我国于2011年启动了“空间科学先导专项”,将陆续发射各类多颗天文卫星,逐渐改变我国只是天文知识的使用国,而非产出国的局面,以获得重大原创性天文学成果。而即将发射的我国第一颗天文卫星,用于探测宇宙中的暗物质粒子。

如何探测暗物质

暗物质是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。其密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,代表了宇宙中84.5%的物质含量。暗物质无法直接观测得到,本身不和已知的任何明物质发生关系,唯一发生关系的就是引力的变化,能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

暗物质是由万有引力效应明确证实其存在,但却无法通过电磁波被直接观测到的物质,这是长久以来粒子物理和宇宙学的核心问题之一,其研究成果很可能带来基础科学上的重大突破,导致粒子物理标准模型和大爆炸宇宙论的完善、更新甚至扬弃,预示着人类对物质世界认识的新的革命,直接推进人类对宇宙的演化,对物质的基本结构和基本相互作用的理解,也将是人类对自然界认识革命性的飞跃。所以,不少国家都在开展这一方向的研究。

探测宇宙线分为地面探测和空间探测,两者各有千秋。后者的优点是能测量低能宇宙线,并且能区分宇宙线的种类,不足之处是受技术难度和费用的限制,目前难以测量高能区的宇宙线,而前者反之,所以它们之间可以取长补短。

现在,通常有三种探测机制了解暗物质的本质:地面直接探测、加速器实验探测和太空间接探测。其中,地面直接探测的实验至今对暗物质存在的参数空间给出了一定的限制;地面加速器上的实验目前没有明确地给出暗物质搜寻的结果;太空间接探测实验看到了一些暗物质粒子存在的迹象,但仍需进一步的数据积累以及更高能量的精确测量,以确定这些信号究竟是来自于暗物质或是其他天体物理过程。

测量宇宙线粒子能量的探测器一般分量能器和磁谱仪两种,其中量能器用于测量宇宙线在探测器中产生的簇射。磁谱仪用于测量宇宙线在其磁场中的偏转。我国“暗物质粒子探测”等天文卫星使用量能器探测暗物质;“国际空间站”上的α磁谱仪2号等使用磁谱仪探测暗物质。

“α磁谱仪2号”主要测轨迹

在空间探测暗物质实验方面,目前最著名的是“国际空间站”上的α磁谱仪2号,它已取得了一些重要成果。

与天文望远镜观测物质发出的可见光和电磁波不同,α磁谱仪2号是直接观测粒子本身,因而它有可能发现天文望远镜无法发现的暗物质等。

由诺贝尔奖获得者丁肇中为首席科学家的α磁谱仪2号,于2011年5月被送至“国际空间站”,它主要是通过强大而特殊的磁场来探测到太空中“流窜”的粒子。带电粒子进入磁场后轨迹会发生变化,不同带电粒子的轨迹变化也不同,而不带电的粒子的轨迹则不会发生变化,因而观测粒子进入这一磁场后轨迹是否变化,变化程度有什么不同,就可以推知这是何种粒子。

2014年,“国际空间站”α磁谱仪2号项目研究团队公布了最新研究成果。其测量表明,暗物质可能存在。暗物质碰撞产生过量正电子有6个特征,其中开始点、上升速率、最高点等5个特征,都已被α磁谱仪2号测量到。该项目研究团队认为,要证实过量正电子是由暗物质碰撞产生,6个特征缺一不可。最后一个特征就是正电子比例上升到最高点后是否有骤降,如果观察到骤降,说明过量正电子来自暗物质对撞;如缓慢下降,则可能来自脉冲星等天体。因此,α磁谱仪2号正在进一步测量相关数据。丁肇中说,5个特征都已经被测量到了,最后一个特征就是产生率会不会突然下降,这个要花很多的时间。如果很快下降,一定是暗物质跟暗物质对撞产生正电子,因为暗物质能量有限,到一定能量以后就不可能再产生正电子,所以会突然下降。

“暗物质粒子探测”主要测能量

“暗物质粒子探测”卫星的科学目标是间接探测暗物质,以及研究宇宙线物理和γ射线天文。它对高能粒子的探测方法与α磁谱仪2号不同。它虽然不能像α磁谱仪2号那样能探测粒子在磁场中的变化,区分粒子的电极性,但是测量的能量谱段是最高的,可以探测能量极高的粒子。

暗物质相互碰撞并湮灭时会产生明物质,其能量很高。“暗物质粒子探测”卫星探测的是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子,这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。

如果没有暗物质,通常宇宙中高能粒子的分布是逐渐下降的,因此,如果在太空中确定某一个方向观测,从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。要想观测到高能谱段,就必须发射天文卫星,探测器要更大,才能看得更加清楚;而且在太空中受到的干扰最小,天文卫星飞行2至3年,能够累计很多数据,就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是,需要解释为什么会这样。假如探测器什么都没有看到,至少也可以证明这种关于暗物质的理论不成立。

“暗物质粒子探测”将进行巡天观测。经过1至2年的巡天后,如果对某一方向的粒子特别感兴趣,发现新的物理现象,会调整探测器,让它集中观测这个方向。

该天文卫星具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点,在暗物质间接探测方面具有很强的国际竞争力。例如,在γ射线观测方面,其灵敏度远高于α磁谱仪2号等探测器。其高能量分辨大大高于美国“费米”γ射线大面积空间望远镜,整体谱线探测能力要比“费米”至少要高10倍以上;在宇宙射线重核探测方面,超过目前国际上所有实验。所以,它有望在暗物质探测和宇宙线物理两大前沿领域取得重大突破,并可望在γ天文方面取得重要成果,一旦取得突破,将很可能会带来物理学新的革命。

未来探测

瞄准暗物质湮灭信号

未来,我国还将用装在空间站上的“高能宇宙辐射探测设施”(HERD),重点探测暗物质湮灭的γ射线谱线,它将有可能测量到暗物质湮灭的确凿无疑的信号。我国之所以在发射了“暗物质粒子探测卫星”还要搞“高能宇宙辐射探测设施”,主要是为了增加搜寻暗物质的手段和扩大搜寻参数空间,各实验互相补充。“暗物质粒子探测”和“高能宇宙辐射探测设施”的先后实施,将使得我国在这个领域保持领先并且做出重大科学发现。

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