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那只“猴子”果然没让我们失望!悟空号终取回"真经"

科技资讯  2017年11月30日 07:56  来源:新浪科技
摘要:终于取回“真经”!2015年12月我国首颗暗物质卫星被命名为悟空,科学家希望这颗卫星拥有孙悟空的火眼金睛,识破宇宙中暗物质这个“妖魔鬼怪”。(新华社贺萌绘制)

  来源:来点科学

  阔别近两年后

  我国第一颗暗物质粒子探测卫星

  悟空号

  终于取回“真经”!

2015年12月我国首颗暗物质卫星被命名为悟空,科学家希望这颗卫星拥有孙悟空的火眼金睛,识破宇宙中暗物质这个“妖魔鬼怪”。(新华社贺萌绘制)2015年12月我国首颗暗物质卫星被命名为悟空,科学家希望这颗卫星拥有孙悟空的火眼金睛,识破宇宙中暗物质这个“妖魔鬼怪”。(新华社贺萌绘制)

  11月27日中国科学院在北京举行发布会称,悟空号在轨运行的前530天共采集28亿高能宇宙射线其中包含150万25GeV以上的电子根据这些数据科研人员获得了国际上精度最高的电子宇宙射线能谱。更值得一提的是悟空号第一次直接测量到了电子宇宙射线能谱“在1 TeV处的拐折”这对于判定部分电子宇宙射线“是否来自于暗物质”起着关键性作用。相关成果已于北京时间11月30日凌晨在《自然》杂志在线发表。

(在线发表于自然杂志的截图)(在线发表于自然杂志的截图)

  有图有真相:对比丁肇中和美国研究

  根据论文,与之前人类发现的结果相比:悟空号的电子宇宙射线能量测量范围,比起国外的空间探测设备有显著提高,拓展了人类观察宇宙的窗口。

  此外,悟空号测量到的TeV电子的“纯净”程度最高——也就是其中混入的质子数量最少,能谱的准确性高。

  来看对比(有图有真相)——

  悟空号工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色数据点),以及和美国费米卫星测量结果(蓝点)、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)的比较。(图片来源于中国科学院)

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进表示,来自宇宙空间的粒子能谱,根据已知的物理规律有其特定的分布——逐渐下降。

  但如果出现“异常”——例如拐折、“尖峰”等,必然有着新的物理原因。他说,如今悟空号的成果就预示着这样一个重大发现。

  重新认识悟空号!

  悟空号是我国第一颗天文卫星,也是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星。

  2015年12月17日,该卫星在酒泉卫星发射中心发射升空。其核心使命就是在宇宙射线电子和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

  常进说,悟空号在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先。

  尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些十分尖锐的能谱信号,堪称迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

(点击图片查看大图↑)(点击图片查看大图↑)

  “悟空”看上去并不大,仅有一立方米大,相当于一张办公桌的大小。

  体积虽小,装下的东西却堪比一个地上的大科学装置。整个卫星的探测器有4.2万路电子学读出电路,168路高压电源,接近8万路探测器通道数,其复杂程度,超过我国地面最复杂的加速器实验装置(北京谱仪)。

  而要将所有探测器及其电子学安装在1个立方米的空间内,技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

  至于“悟空”的“眼睛”,即卫星的有效载荷——高能粒子探测器“望远镜”,则重1.4吨,整星重1.9吨,载荷平台比达到2.8。

  根据载荷特点,卫星借鉴哈勃望远镜的设计理念,采用以载荷为中心的设计方案,探测器位于整星中心,电子学机箱及平台各单机均布于探测器周围的隔板上。

  从外表看上去,“悟空”从顶部到底部主要由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器构成,4种探测器一层层组装,像一个倒立的四层蛋糕。

  这4个探测器各司其职,又联合执行任务,可高精度地测量入射粒子的种类、方向、能量和电荷。

  两年前驾七彩祥云飞上了天

(悟空飞天,邱晨辉摄)(悟空飞天,邱晨辉摄)

  “猴子”追捕的暗物质究竟是啥?

  关于暗物质,有的人并不陌生,在热门美剧《生活大爆炸》里,主角谢耳朵就“转行”研究了暗物质。

  诺尔贝奖获得者杨振宁先生曾对暗物质作如此表述,所谓暗物质、暗能量就是十分稀奇的事物,这里面可能引出基本物理学中革命性的发展,假如一个年轻人,他觉得他一生的目的就是要做革命性的发展,他应该去学天文物理学。

  最早提出这一概念的,是瑞士的天文学家兹威基。1933年,他发现,在大星系团中,星系运动速度十分快,用星系团中所有看得见的物质来计算出的引力,却不足以束缚住它们,除非,星系团的质量增大400倍以上。

  经过计算和推测,他判断,应该存在一种“看不见的物质”的作用,否则,这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。这种看不见的物质,就被称作“暗物质”。

  有人说,如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗的天空”,那么暗物质和暗能量,就被看作“两朵乌云”。

  ——曾经,科学家们在现代物理学和天文学的基础上,一直在深入发掘原子和分子的特性,并自信地以为他们认识和了解了世界。然而,他们错了。宇宙究竟是由什么构成的,这个问题或将因为暗物质问题的解决而被改写。

  最新的宇宙观察发现,宇宙更像一个三部分组成的大饼,其中95%以上是人类还没弄清楚的暗物质(26.8%)和暗能量(68.3%),其他接近5%是普通物质,包括普通的重子物质、光子和中微子等。

  遗憾的是,至今人类也没有通过电磁波直接观测到暗物质,它也成了长久以来粒子物理和宇宙学的核心问题之一。

  暗物质的所谓“看不见”,不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见,而是说不论探测什么波段的电磁波,例如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都看不到它。

  也就是说,暗物质不发出任何波段的光。

  背景:“上天”“入地”“对撞机”

  目前,人类用来捕捉暗物质仅有3种方法,可以形象地称之为“上天、入地、对撞机”。

  其中,“上天”是间接探测方法,即捕捉暗物质互相碰撞、湮灭时产生的痕迹。

  当一对暗物质粒子偶然正碰的时候,会同时湮灭,可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能会发现暗物质粒子的踪影。

  目前国际上至少有欧洲核子中心的大型强子对撞机、安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪,以及美国宇航局的费米太空望远镜等方面的力量,在寻找暗物质和暗能量以及“两暗”背后的科学成果,但目前科学家们找到的都还只是一些“疑似证据”。

  悟空号所采用的就是一种间接探测。

(悟空号示意图,图片来源于中国科学院)(悟空号示意图,图片来源于中国科学院)

  “入地”则是一种直接探测的方法,该方法是直接探测暗物质粒子和普通原子核碰撞所产生的信号。

  常进有一个形象的比喻,即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,科学家也将能捕获其信号。

  一个知名的例子,即位于我国四川的锦屏极深地下暗物质实验室,这是我国首个用于开展暗物质探测等国际前沿基础研究课题的极深地下实验室,其上方有厚达2400米的岩石层,可以将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有地面水平的大约亿分之一,为探测暗物质提供了一个几乎没有干扰的环境。

  最后一种“对撞机”,则是在加速器上将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性。常进说,由于暗物质粒子即使被“创造”出来,也不会被探测器发现,只能通过其他可以看见的粒子来推测出是否有这样的粒子产生。

  在科学家看来,虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但它一定会带走“能量”,即“创造”暗物质粒子需要能量,因此从丢失的“能量”和分布可以推测暗物质的某些性质。

  目前,欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)被认为很有可能“创造”出暗物质粒子。