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“悟空”探測暗物質

2015-12-22 02:15:30

来源：中华商报

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　　【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。

　　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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