“悟空”号卫星: 拨开暗物质的“乌云”

2019-03-11 09:49 科技日报

暗物质粒子探测卫星“悟空”

“已往的一年,那只‘山公’没有让我们扫兴。”春节后,记者离开中国迷信院紫金山地理台,该台副台长、暗物质粒子探测卫星首席迷信家常进开门见山地说。

当天下上下都在庆贺新春佳节时,天上那只“山公”仍旧奔驰在500公里高的太阳同步轨道上,忙繁忙碌。

停止2018年年末,中国迷信院紫金山地理台研制的我国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号已绕地球飞行了16597圈,探测宇宙射线粒子55亿个。

在雷同工夫内,它积聚的TeV(1TeV=1万亿电子伏特)以上的观察数据相称于国际空间站上的日本量能器电子望远镜和阿尔法磁谱仪实行的5倍以上,意味着完成了其他“偕行”至多10年的事情量。基于这些数据,科研职员乐成获取了现在国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

看不见摸不着却与我们痛痒相关

20世纪30年月,迷信家发明,宇宙中可见物质远远不敷以把星系连成一片,组成星系团,要是不是存在一种秘密而不行见的物质,星系团早就土崩瓦解。迷信家把这种看不见的秘密物质称为“暗物质”。

到了20世纪70年月,多种地理观察结果都表示着暗物质的存在。但直到如今还没有确切的暗物质信号被探测到。

固然迷信家们还不晓得暗物质毕竟由什么组成,但经过观察它怎样影响平凡物质,并模仿它的引力效应,照旧对它有了一些相识。

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,此中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不收回电磁波、不到场电磁互相作用,它无法用任何光学或电磁波观察设置装备摆设间接“看”到。暗物质运转速率很快。迷信家测算,暗物质粒子的活动速率为每秒220千米,是56式半主动步枪子弹出膛速率的300倍。

迷信家揣测暗物质孕育发生于宇宙大爆炸。在宇宙晚期某一个时候,宇宙温度十分高,粒子能量十分大,它们猛烈碰撞,孕育发生包罗暗物质在内的林林总总的物质。

宇宙的布局也与暗物质有关。它是促使宇宙中的平凡物质在本身引力下构成特定布局的紧张推手。暗物质播下了宇宙丝状布局的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质创建起来的引力“核”上,并终极构成了星系。

暗物质对生命来说更是至关紧张。如果没有暗物质的引力作用,我们地点的银河系将很大概无法在宇宙大爆炸后的收缩历程中构成。

暗物质这么秘密,我们投入这么多人力物力去探求它,那么它毕竟有什么使用代价呢?

“当年,爱因斯坦也想不到量子力学和绝对论有什么使用代价,但是本日我们每小我私家用到的手机等通讯设置装备摆设,哪一个离得开这些迷信发明?”常进说道。

带着“水晶棒”的雪白色美猴王

2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发命中心用长征二号丁运载火箭乐成将中国迷信卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺遂进入预定转移轨道。这标记着我国空间迷信探测研讨迈出了紧张一步。

“这是中国迷信家初次在太空中安排本身的高辨别率高能空间望远镜,”常进说,“它无望深入地厘革人类的宇宙观,完成空间迷信庞大打破。”

“悟空”的身段比一样平常的卫星玲珑,“三围”辨别为1.5米、1.5米、1.2米,像盒雪白色的方形蛋糕。“悟空”在太空中吸收来自宇宙的高能原子核、电子和伽马射线的信号,它是天下上迄今为止观察能段范畴最宽、能量辨别率最优的空间探测器。

中科院紫金山地理台研讨员袁强先容说,现在国际上最闻名的三个暗物质探测器辨别是美国费米卫星、阿尔法磁谱仪AMS-02和我国的“悟空”。三者各有特征,AMS-02可以区分正反物质,费米的探测器面积大,而我们的探测器辨别率最高。

常进说,“悟空”在观察能段范畴、能量辨别率、粒子辨别本事等方面优于另外探测器,其观察能段是阿尔法磁谱仪的10倍,能量辨别率比国际同类探测器高3倍以上。而用度只要1亿美元,辨别是美国费米、AMS-02的1/7和1/20。

以《西游记》中的美猴王名字定名的卫星“悟空”,没有携带金箍棒,却带了300多根“水晶棒”。

位于卫星焦点部位的BGO能量器包罗了308根犬牙交错的晶体,每一根都有2.5厘米见方、60厘米长,是天下上最长的BGO晶体。

这些英俊的“水晶棒”可以或许丈量入射粒子的能量。电子和质子与晶体产生互相作用,孕育发生雷同淋浴喷水外形的簇射,而电子和质子孕育发生的簇射外形差别,因此迷信家可以区分出质子和电子。

“年富力强”并将继承在太空退役

每天清早和薄暮,“悟空”都市途经中国上空。位于密云、喀什、三亚的三个数据吸收站,每天吸收它回传的约16G数据。而常进领导的团队便是要从日积月累的海量数据中剖析出有代价的迷信结果。

而在一年多前,常进团队就已向天下展现出首批结果:准确丈量太空中的电子宇宙射线能谱。该结果于2017年12月7日在国际权势巨子学术期刊《天然》颁发。

电子宇宙射线的正常能谱变革应是一条腻滑曲线。凭据“悟空”积聚的观察数据,迷信家们发明在0.9万亿电子伏特处电子能谱出现出显着的拐折,而且有开端迹象评释在1.4万亿电子伏特的超高能段出现出非常颠簸,反应在图上是一个“尖峰”。

这些布局只要在观察精度到达最好的环境下才气被看到,幸运的是,“悟空”做到了!电子能谱在0.9万亿电子伏特处的拐折具有紧张的天体物理意义,它反应出宇宙中高能电子辐射源的典范加快本领,而且可以对部门暗物质实际模子给出很强的束缚。1.4万亿电子伏特处的非常颠簸则显得更引人存眷。不外,凭据现无数据量和实际模子,还无法判定这一征象能否便是暗物质踪迹。

袁强报告记者,探测暗物质的方法重要分为三类:一是对撞机探测,重要有欧洲核子中央的大型强子对撞机;二是在地下举行的间接探测,我国在四川锦屏山地下实行室中正在展开相干实行;三是直接探测,重要在空间举行。

“悟空”卫星便是接纳第三种方法。物理学家们以为,暗物质粒子碰撞后会孕育发生高能粒子,如伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。暗物质卫星便是准确探测这些粒子,经过其能谱、空间漫衍来探求暗物质粒子存在的证据。

“悟空”设计寿命为3年,现在曾经到期,但它看起来仍旧“年富力强”。“颠末评价,我们以为‘悟空’还可以继承在太空退役,如今曾经被答应延伸2年事情工夫。”袁强说道。

责编:李文瑶
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