科技风云
“悟空”探測暗物質
发表于 2015-12-22 02:15 【本報綜合報道】2015年12月17日8時12分,在寒冬的中國西北荒漠,名為“悟空”的中國暗物質粒子探測衛星,在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭成功發射,十多分鐘後,“悟空”成功抵達500公裏高的太陽同步軌道。
来源:本報綜合報道
這顆以古典名著《西遊記》中美猴王名字命名的衛星,是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研制的4顆科學實驗衛星之一,也是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。
“悟空”是在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下,中國科學系列衛星的首發星,其科學目標是探測理論物理所預測的暗物質粒子,其觀測能段範圍之寬、能量分辨率之優,超過國際上其他同類探測器。
衛星有效載荷質量1410公斤,載有暗物質粒子探測器,將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測任務,探尋暗物質存在的證據,研究暗物質特性與空間分佈規律。
中國暗物質衛星項目首席科學家、中國科學院紫金山天文臺副臺長常進說,“悟空”是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的空間探測器,其觀測能段是國際空間站阿爾法磁譜儀的10倍,能量分辨率比國際同類探測器高3倍以上。
理論界之所以能發現暗物質,是由於在天文觀測中,星體的運動速度遠遠大於可見物質所提供的引力所能夠束縛的,如果沒有額外的物質提供引力,宇宙將分崩離析。因此科學家預測,宇宙中存在我們看不到的暗物質。天文學家估算,宇宙由27%的暗物質、68%的暗能量和5%的普通物質組成。
“沒有暗物質的話,宇宙的結構沒法這麼快形成。”國家天文臺研究員高亮對財新記者說,目前絕大多數科學家認可暗物質的存在可能性,雖然有人提出一些新的理論,基本上已經被排除掉。
80多年來,科學家們一直爭論究竟何為暗物質以及人們為什麼看不到它,他們給出了許多種推測和解釋,其中最有可能的一個候選物質被稱為 “弱相互作用大質量粒子”(weakly interaction massive particle,WIMP)。
中國的暗物質探測衛星,就是針對理論上預測的WIMP產生湮滅的現象。因為WIMP與其自身互為反粒子,相互碰撞會產生正負電子對和伽馬射線。美籍華人物理學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中領導的阿爾法磁譜儀(AMS)項目,就是尋找WIMP湮滅所產生的過量正電子,去年9月,他們的成果表示,暗物質存在實驗的6個有關特征中,已有5個得到確認。
丁肇中沒有得到確認的最後一個特征,恰恰是最關鍵的一個特征,也就是正電子的比例在逐漸上升之後是否出現驟降。中國暗物質衛星項目科學應用系統總工程師、中科院紫金山天文臺研究員伍健對財新記者說,在正電子的分布上有截止峰,國際上公認的發現WIMP的標准。
中國的項目雖然沒有磁譜儀,無法區分正負電子,但是有一臺非常靈敏的量能器,目的是探測高能伽馬射線和電子的總和。伍健說,如果伽馬射線的能譜上,在某個能量處一個尖峰,是用現有理論解釋不了的,如果發現銀河系的伽馬射線的空間分布不是餅狀,而是球狀,就說明存在暗物質。
中國首顆暗物質探測衛星研究,在觀測能段範圍、能量分辨率等方面一舉超過他國,而成本只有1億美元,分別是美國Fermi項目、AMS二期項目的1/7和1/20。
發射進入太空後,“悟空”每天傳回的數據量約12G字節。地面團隊將有100餘人對此展開分析研究,首批科學成果將有可能在6個月至1年後發布。
中國暗物質探測衛星原名為DAMPE,即dark matter particle explorer的縮寫。今年九月開始全球征名,共收到了有效名稱方案32517個。
12月16日下午,中國科學院國家空間科學中心宣布,將暗物質粒子探測衛星正式命名為“悟空”。
“悟”有領悟的意思,“悟空”有領悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,猶如暗物質粒子探測衛星的探測器,可以在茫茫太空中,識別暗物質的蹤影。
揭開暗物質之謎,被看作將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後的又一次重大飛躍。在中科院2009年發布的戰略研究系列報告“創新2050:科學技術和中國未來”中提出,可能出現革命性突破的4個基本科學問題:暗物質、暗能量被列為第一。
在過去的五年裏,錦屏地下實驗室暗物質探測,衛星暗物質探測,西藏阿裏的宇宙背景輻射的探測,空間站以及南極天文等項目,幫助中國在暗物質暗能量研究上從“跟跑” 到“並跑”到最後“領跑”打下基礎。
每秒鐘都有無數暗物質穿透人體,但人們毫無感覺,科學家既不知道暗物質是什麼樣、有多重,也不知道它具有怎樣的物理性質。揭開暗物質之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之後的又一次重大科學突破,從而推動解釋宇宙為什麼會是這樣以及將怎樣演化。
新華社援引暗物質衛星系統副總設計師安琪說,位於衛星核心部位的BGO(Bi2O3-GeO2系化合物的總稱鍺酸鉍的縮寫)能量器包含300多根縱橫交錯排列的晶體,每一根都有2厘米見方、60厘米長,是世界上最長的BGO晶體,研制難度非常高。暗物質衛星總設計師李華旺表示,「悟空」的「火眼金睛」包含塑閃列陣探測器、矽列陣探測器、BGO能量器和中子探測器四個子載荷,能探測高能粒子的能量、方向和電荷,並具備鑑別粒子的本領,從而有可能探測到暗物質粒子的存在。
據悉,「悟空」將面朝太空,接受來自宇宙四面八方的高能電子和伽馬射線。頭兩年將對全天掃描,探測暗物質存在的方位。兩年後,根據全天區探測的分析結果,它將對暗物質最可能出現的區域開展定向觀測。100多名中國科學家將對「悟空」傳回的數據展開分析研究,首批科學成果有望在衛星發射6個月至一年後發布。
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