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【人民日报】寻捕暗物质,“悟空”游天宫
2015-12-18 | 【     】【打印】【关闭

  来源:人民日报 记者:吴月辉

  “悟空”小档案

  【模样】长、宽、高分别为1.5米、1.5米、1.2米,比一张办公桌大不了多少。整体质量为1.85吨,有效载荷质量为1.4吨,轨道高度为500公里,寿命3年以上。

  【神通】能通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子,是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

  【筋斗云】搭载由中国航天科技集团第八研究院研制的长征二号丁型火箭升空。

  

  12月17日 ,暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射中心成功发射升空,顺利进入预定转移轨道。此后,“悟空”将正式开启在茫茫宇宙中寻找暗物质的征途。为什么要发射卫星去探测暗物质?“悟空”拥有哪些神通本领?

  探索的过程就像和暗物质捉迷藏,这或许是解开宇宙起源之谜的必经之路

  什么是暗物质?暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台研究员常进这样解释:“宇宙中,我们能看见的物质,都因为带有电子而能‘发光’;我们能触碰一张桌子、一面墙,感觉到它们的存在,是因为有电磁场的相互作用。而暗物质是不带电荷的,也没有电磁场的相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物,不着痕迹地从身边飞走。因此尽管我们周围极可能存在暗物质,例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,但并不能为我们所看到或感觉到。”

  虽然看不见摸不着,但寻找和认识暗物质却意义重大。科学家们相信,通过探索暗物质,人类最终能够解开宇宙的起源之谜。

  然而,由于暗物质粒子不与光作用,也不会发光,普通光学观测无法发现它的踪迹。所以,寻找暗物质的过程,就像和幽灵捉迷藏,并不容易。

  据常进介绍,目前世界范围内大致有3种方法来捕获暗物质。第一种基于可见物质相互作用能产生暗物质的假设。科学家用大型质子对撞机,将两束高能粒子对撞产生暗物质粒子,也就是说在加速器上将暗物质粒子“创造”出来。

  第二种方法基于暗物质能与普通物质产生互相作用的假设。该方法尝试直接探测暗物质粒子和普通原子核碰撞产生的信号。简单地说,研究过程就是将一个静止的靶子设置好,如果暗物质打进来,带电原子核就会飞出去,这个信号就会被发现。

  还有一种方法就是暗物质粒子和暗物质粒子相互作用的间接探测。世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质的时候,两者都会被摧毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,产生的能量将更大。

  常进说:“根据目前的理论模型,暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,且其流量远高于正常值。假如能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,精确测量这些粒子的能谱,就可能发现暗物质留下的蛛丝马迹,从而间接证明暗物质的存在。”

  暗物质粒子探测卫星正是基于第三种暗物质粒子湮灭或衰变的假设而研制的。

  暗物质碰撞产生的明物质可能分布在高能谱段,要精确观测必须发射卫星

  2011年,常进提出了研制和发射暗物质粒子探测卫星的想法。常进说,宇宙射线的最高能量比目前世界上最大的加速器高一亿倍以上,可以说宇宙空间是最好的实验室。

  常进曾经研制过一个小探测器,搭载在美国的一个长期停留于大气层上空的气球上,做了两个月的实验。在这次实验中,探测器观测到在高能谱段有一些奇怪的现象发生,由此推测,可能是暗物质碰撞产生了明物质,分布在非常高的谱段。

  “要想观测到高能谱段,就必须发射卫星,探测器更大,才能看得更清楚;而且在太空中,受到的干扰最小,卫星飞行两到三年,能够累积很多数据,能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布。如果不是,就需要解释其中原因。”常进说。

  暗物质粒子探测卫星科学应用系统总设计师伍健说:“这枚卫星将通过高空分辨、宽能谱段观测高能电子和伽马射线,寻找和研究暗物质粒子,其探测能段能达到10GeV,这是迄今为止观测能段范围最宽,能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。”

  据介绍,和此前的探索手段相比,“悟空”能探测的粒子的最大能量约是阿尔法磁谱仪2号的10倍;同时,能量分辨率更高,比美国航天局费米卫星的准确率提升了10倍,并能观测阿尔法磁谱仪2号所无法观测的光子;此外,“悟空”还提高了电子与质子相互区别的能力,将对两者的误判下降到几十万分之一。

  “热气球虽然造价低,但运行不太稳定;阿尔法磁谱仪2号虽然能够长时间观测,但耗资高,造价大约是20亿美元。我们这颗卫星的造价约为7亿元,相比之下耗资少、重量轻,被寄予厚望。”伍健说。

  澳门金莎卫星工程常务副总指挥、澳门金莎-娱乐场手机版网站app官网主任吴季指出,“‘悟空’作为中国科学院澳门金莎战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,意义和使命都十分重大。”

  承载了4层科学探测器的“悟空”好比一扇新窗户,通过它能发现更多的未知

  “悟空”到底长啥样?

  从外表看,暗物质粒子探测卫星像一个倒立的4层蛋糕,卫星的科学探测有效载荷主要分为4层:从上往下依次是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器,它们除了要完成各自的任务外,还要相互补充、互为备份。“大蛋糕”上“裱花”和“内馅”的复杂程度令人咋舌。整个探测器有42000路电子学读出电路,168路高压电源,接近8万路探测器通道数。

  据介绍,探测卫星设计寿命为3年,在轨工作时间预计能达到5年。

  “卫星主要是通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。它在发射升空后,4层科学探测器将面朝太空,全面接收来自宇宙的高能粒子和伽马射线,这相当于在宇宙中放置了一台除去大气层面纱的‘超高清望远镜’。收集到的科学数据将完整保存,并实时传回地面。”常进说。

  在工作中,“悟空”如何排除其它天体的干扰呢?

  常进介绍,主要有3种方法,第一是提高能量分辨率和空间分辨的本领;第二是要降低本底,就是把观测到的信号,与大量的宇宙射线区别开来,降低宇宙射线背景;第三就是提高灵敏度。

  很多人都关心,究竟观测到了什么就表明探测到暗物质?“一旦用卫星收集到并实时传回地面的科学数据勾勒出的‘伽马射线能谱’反映出谱线极段等特征信号,科学家就算获得了暗物质粒子存在的强有力证据。”暗物质粒子探测卫星工程卫星系统总设计师李华旺说。

  谈到对“悟空”的期待,常进表示,现在它能正常工作就行,指望能一下准确找到暗物质,是不现实的。“尽管最主要的目标是去找暗物质,但是探测器本身就是一个望远镜,一旦打开这扇新的窗户,必然发现更多新奇的现象,这是最关键的。”

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