作者:泉琳/整理 来源: 发布时间:2018-2-1 15:54:30
2017 中国十大科技进展新闻
中国首颗天文卫星“悟空”取回“真经”


 

 
在太空遨游近两年后,“悟空”终于“取回真经”,发现了一个人类追寻多年的宇宙魅影。
 
11月30日,《自然》杂志披露:中国于2015年12月发射的“悟空”(DAMPE)卫星在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动,成功获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。据科学家推测,这可能就是人们一直寻找的暗物质。
 
宇宙魅影
 
科学家曾将宇宙的构成分为三部分,构成日、月、星辰、生命以及一切人类所认知的普通物质只占宇宙的5%,其余95%以上的宇宙则是由人类还没弄清楚的暗物质(26.8%)和暗能量(68.3%)组成。
 
顾名思义,暗物质指的是看不见的物质。它不参与电磁相互作用,因此,暗物质不反光,不发光,也不遮挡任何光线。同样,暗物质也视普通物质为无物,即便人体也一样。每时每刻,都有无数暗物质粒子穿过人体,人体却完全没有感觉。
 
虽然看不到也摸不着,但是科学家却通过万有引力定律推断了暗物质的存在,并试图捕捉这种神秘物质的踪迹。
 
目前,人类“捕捉”暗物质主要有3种方法。第一种是直接探测暗物质粒子与普通原子核碰撞所产生的信号。由于这种碰撞概率很小,产生的信号非常微弱,为了屏蔽宇宙射线等干扰,这种实验通常要把探测器放置在很深的地下。目前,各国有不少这样的实验。其中,中国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的暗物质实验室。
 
第二种是用对撞机将两束高能粒子对撞,也就是说在加速器上将暗物质粒子“创造”出来。虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但它一定会带走能量,因此从丢失的能量和分布可以推测暗物质的某些性质。欧洲核子中心的大型强子对撞机就在做这种尝试。
 
第三种是寻找暗物质粒子相互碰撞湮灭后产生的“二手”粒子。尽管暗物质不会发光、也不与光作用,普通光学观测也无法发现,不过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。换言之,如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。
 
目前,国际空间站上2011年放置的诺贝尔奖获得者丁肇中研制的阿尔法磁谱仪2号、2015年放置的日本量能器电子望远镜,以及中国2015年年底发射的暗物质卫星“悟空”等,都属于第三种探测暗物质方法。
 
最“经济适用”的卫星
 
“悟空”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,于2015年12月17日发射升空。
 
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。它在“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非常尖锐的能谱信号。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。
 
用形象的比喻来说,“悟空”能同时看清一个2米高的篮球运动员,以及他身体里的每一个血小板。
 
与同类设备相比,“悟空”曾被很多专家给予了“性价比”很高的评价:花费小、本领大、看得清、测得准。
 
天文观测表明,宇宙中的暗物质是普通物质的5倍,而“悟空”在太空中的任务,就是通过间接方法,捕捉暗物质湮灭、衰变的蛛丝马迹。在这一方面,造价数亿至数十亿美元的费米卫星、阿尔法磁谱仪目标类似,但“悟空”项目耗资不到1亿美元,堪称“经济适用”的典范。
 
虽然花钱少,但本领一点不打折。“悟空”在同类设备中拥有工作能段最高、能量分辨率最高、粒子鉴别本领最强3项“绝技”。
 
如今,“悟空”在太空中首次测量到电子宇宙射线的一处异常波动。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”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。
 
更值得一提的是,“悟空”第一次直接测量到了电子宇宙射线能谱“在1 TeV处的拐折”,据介绍,该“拐折”反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为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。
 
截至目前,包括科学家在内的人类,尚未搞清楚悟空号带回的首批成果究竟代表着什么,如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项具有划时代意义的科学成果,人类就可以跟随着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。
 
现在,我们唯一知道的是:这些结果是“出乎意料之外的”,是“人类此前从未看到过的”。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2018年1月刊 封面)
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