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用卫星发现暗物质

2017-06-05 15:36:00

  2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,这标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。“悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上其他同类探测器。 暗物质粒子探测卫星此次太空之旅共有3个科学目标:即通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽马射线寻找和研究暗物质粒子;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽马射线,在伽马天文方面取得重要成果。“悟空”将如何在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务?它将如何探寻暗物质存在的证据?

  21世纪物理学的两朵新的乌云

  暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。美国国家研究委员会列出了新世纪要解答的11个科学问题,其中“什么是暗物质”被列在首位;在中国科学院制定的创新2050规划路线图中,暗物质和暗能量探索被列为可能出现革命性突破的基本科学问题的第一位。暗物质和暗能量被认为是笼罩着21世纪物理学的两朵新的乌云,对它们的研究很可能会带来科学上的新突破。

  暗物质存在于人类已知的物质之外,人们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4。同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。天文学家推测,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,它们占了宇宙质量的95%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。

  之前,人们无法想象这种看不见摸不着的物质在宇宙中竟占有95%的比重,假如这种新的理论被科学证实,就意味着我们所熟悉的这个世界,只是零星散布在宇宙中的小小点缀,如

  同大海中的一滴水,而在宇宙中占比如此大的东西,人类却一无所知。因此,暗物质被科学界普遍证实存在,已经给人们的观念带来了巨大的冲击,如果在暗物质性质的研究方面有任何突破性进展,那将会带来不可估量的科学影响。科学家相信,通过探索“不可见宇宙”如何影响银河系和宇宙的过去、现在和未来,人类最终一定能够了解宇宙的起源。

  我们如何寻找“暗物质”?

  对于这些擅长隐身的暗物质粒子,科学家用什么办法来探测它们呢?

  第一种方法是在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞机。如果能量足够高,理论上,这样的碰撞有可能产生出暗物质粒子——而暗物质粒子是隐身的,无法被周边的探测器记录到。于是,在科学家看来,这场粒子碰撞中就会有很大一部分能量不翼而飞。如果发生这样的能量失踪案,便可以为暗物质粒子的存在提供直接证据。

  第二种方法是在地下进行的直接探测,各国有不少这样的实验项目,其中我国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室。暗物质粒子可以说是无处不在,每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛。当然,由于它们隐身能力超强,我们对此毫无知觉。不过,根据理论,这些粒子仍会参与弱相互作用。这种力与电磁力不同,只能在原子核内部发挥作用。因此,尽管暗物质粒子是隐身的,并不意味着它们就可以横冲直撞而不受任何阻挡。就像是荒不择路的兔子一样,它们也有可能一头撞上原子核这个“树桩”。被暗物质粒子撞上的原子核会发光发热,或者被撞得偏离了原来的位置,这些光和热还有位置移动是科学家有可能探测到的。只可惜,原子核太小太小,暗物质粒子撞上去的概率低到几乎可以忽略。科学家只能采用一个笨办法,准备好一大片森林等兔子来撞。他们在巨大的探测器里装上大量反应物质,等待过路的暗物质粒子碰巧撞上其中某个原子核。当然,为了尽可能排除其他粒子撞上原子核而产生的干扰,科学家往往把这样的暗物质探测器深埋在地下,让厚厚的岩层把不会隐身的其他粒子尽可能屏蔽在外面。

  第三种办法,那就是等这些隐身的粒子自行现身。用暗物质探测卫星探测暗物质是基于暗物质粒子湮灭或衰变的假设,即暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对,这些粒子对在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分。暗物质探测卫星就是收集高能宇宙射线粒子和伽马射线光子,通过分析其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。“悟空”暗物质探测卫星采用的便是第三种办法,到太空中探测高能粒子和伽马射线,期望从中能够找到暗物质存在的证据,并推断出它们的某些性质。

  暗物质粒子探测卫星如何施展“神通”?

  暗物质粒子探测卫星是我国第一颗由中科院自主研究、生产的卫星。同以前的卫星和国际同类卫星相比,它具有创新性。

  首先,这颗卫星的结构不同于以往我国发射的卫星,它是以载荷(探测器)为中心的一体化结构设计。中国科技大学教授、暗物质探测卫星副总设计师安琦说,以往卫星都是设计

  一个平台,相当于一个容器,然后把有效载荷置于其中,这时的有效载荷只能委屈地适应容器。而暗物质探测卫星的设计是以载荷为中心,先把有效载荷集中安置好,再把卫星的其他部分见缝插针地“镶嵌”在有效载荷的边上。这种设计使得有效载荷达到1410千克,平台仅为440千克,二者达到了3.2∶1。这种载荷比在世界上都是极高的。

  其次,它是目前世界上观测能段范围最宽、空间和能量分辨率世界领先的高能粒子探测器。暗物质粒子探测器属于大型空间高能观测设备,它可以精确测量宇宙高能粒子的物理特征和空间分布。它的能段是国际“阿尔法磁谱仪”实验的10倍,探测器能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。

  “悟空”通过提高能量分辨和空间分辨的本领,降低宇宙射线背景噪声,并且采取将探测器做得足够大等方法提高灵敏度。以《西游记》中的美猴王名字命名的卫星“悟空”,没有携带金箍棒,却带了300多根“水晶棒”。位于卫星核心部位的BGO能量器包含了300多根纵横交错排列的晶体,每一根都有2厘米见方、60厘米长,是世界上最长的BGO晶体,研制难度非常高。整个卫星中,BGO能量器的重量就占了多半。这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量,并且由于电子和质子与晶体发生相互作用,产生类似淋浴喷水形状的簇射,而电子和质子产生的簇射形状不同,因而科学家可以区分出质子和电子。

  进入太空后,“悟空”将在500千米太阳同步轨道上运行。它将采取两种观测模式:在头两年采用巡天观测模式,由于暗物质可能存在于全天区的任何区域,所以第一阶段对全天扫描;两年后卫星转入定向观测模式,根据全天区探测的结果分析出暗物质最可能出现的区域,并针对这些区域开展定向观测。

  在3年的设计寿命中,“悟空”将通过高空间分辨、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,同时将在宇宙射线起源和伽马射线天文学方面取得重大进展。首批科学成果有望在卫星发射6个月至1年后发布。

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  近10年暗物质研究新进展

  2006年1月6日,剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。

  2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对星系团1E 0657-56进行观测,无意间观测到星系碰撞的过程,星系团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质存在的直接证据。天文学家推测,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此,探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

  2007年1月,暗物质分布图终于诞生了!经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。这张图是通过引力透镜原理获得的。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯参加了这张分布图的绘制工作,他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变,所以我们看到的也就是暗物质的形状。

  2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称,约翰斯·霍普金斯大学天文学家利用哈勃太空望远镜,探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称,这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。

  2013年4月18日,美国物理学会的科学家报告称,在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格玛水平,他们发现暗物质的可能性达到99.8%。

  2014年9月18日,程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行,丁肇中主持的实验室公布AMS项目最新研究成果,宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。丁肇中特委托山东大学程林教授在国内发布有关成果。在已完成的观测中,证明暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。

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