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晒晒咱的国之重器19
距离地面500公里左右的太阳同步轨道上,来自中国的“悟空”正在遨游。
每天,这颗1米见方的小小卫星绕地飞行大约15圈,用“火眼金睛”努力探测着宇宙高能粒子的踪迹。
这只“孙猴子”到底在找什么?
其实,浩瀚的银河系中,除了恒星、行星等这些我们肉眼可见的天体,还可能存在许多看不见的暗物质。科学家们推测,它们不发光、也基本不与其他物质有相互作用,在一般光学手段观测下,犹如“隐身”。
不过,当一对暗物质粒子偶然碰撞时,可能会湮灭,并放出电子、正电子和伽马射线等高能粒子。如果能够精确“捕捉”到这些粒子的信息,就可能反推出暗物质存在的蛛丝马迹。
2021年9月7日,“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据向全球公开。自2015年12月17日成功飞天,“悟空”一次次所发布的宝贵数据令世界瞩目,推进着人类对宇宙的进一步认识。
这只“孙猴子”到底长什么样?
这颗由中国科学院研制生产的卫星,体积比一张办公桌大不了多少,像一个倒立的银白色四层蛋糕,有效载荷却达到1.4吨,内部集成了近8万路电子学信道。从上到下,“悟空”装备有四大探测器:塑闪阵列探测器、硅阵列径迹探测器、BGO(锗酸铋)量能器和中子探测器。其中,BGO量能器包含300多根60厘米长的锗酸铋晶体。这些漂亮的“水晶棒”犹如孙悟空的“金箍棒”,对入射粒子的能量能进行极为灵敏的测量。
它的视力究竟要多强,才能称得上“火眼金睛”?
据“悟空”号首席科学家、中国科学院院士常进介绍,“悟空”号是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间宇宙线探测器,也是我国第一颗空间天文卫星。它平均每秒就能“捕捉”60个高能粒子,可以对GeV到数十TeV量级之间的电子、伽马射线等宇宙线粒子进行测量。
这是什么概念?1GeV是10亿电子伏特,1TeV是1000GeV,即1万亿电子伏特。而人眼所能接收到最敏感的可见光能量,仅仅约为2电子伏特。
飞行6年多,“悟空”号已经完成全天区扫描超过11次,获取了百亿个高能宇宙射线事件。每天清晨和傍晚,这只“孙猴子”都会飞过中国的上空。位于北京密云、新疆喀什和海南三亚等处的接收站每天接收着“悟空”号传回的数据,透过这些数据,暗物质的面纱已陆续被揭开……
2021年5月,“悟空”号团队绘出迄今最精确的高能氦核宇宙线能谱,并观测到能谱新结构。这是“悟空”号继精确测量电子能谱、绘制高能质子宇宙线能谱后,第三次发布重要科学结果,标志着我国空间高能粒子探测已跻身世界最前列!
国际物理学界普遍认为,揭开暗物质之谜,将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次基础科学变革。
踏入暗物质探测竞赛的前沿,中国科学家们相信,借助“悟空”“火眼金睛”的广大神通,我们将可以窥见崭新的宇宙面貌,离逮住那“看不见摸不着”的暗物质,也许不远了!
暗物质粒子探测卫星叫什么
1、2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功,标志着我国空间科学研究迈出重要一步。
2、“悟空”暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。卫星上装载的暗物质粒子探测器,将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,探寻暗物质存在的证据,研究暗物质特性与空间分布规律。“悟空”采取了与以往中国卫星完全不同的创新结构方式。“过去车大货少,这次车货一体设计,有效载荷比重大,国际上都算非常高的。”暗物质粒子探测卫星系统总师李华旺介绍说,以前卫星载荷只占其总重量的几分之一,但“悟空”体重1.85吨,其中有效载荷1.41吨,有效载荷比高达76%。这样的设计让“悟空”本事又大,花钱又省。
3、暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。现有物理学的标准模型预言的61种粒子目前都找到了,但暗物质不在其中,如果发现暗物质,将会带来相对论和量子力学之后物理学基础理论的又一次重大突破。目前,我国和世界各国已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目。
“悟空”卫星在暗物质探测方面取得什么突破?
暗物质粒子探测卫星(英文:Dark
Matter
Particle
Explorer,缩写:DAMPE)是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。
DAMPE是一个空间望远镜,有效载荷质量1410公斤,它可以探测高能伽马射线、电子和宇宙射线。它由一个塑料闪烁探测器、硅微条、钨板、电磁量能器和中子探测器组成。DAMPE的主要科学目标是以更高的能量和更好的分辨率来测量宇宙射线中正负电子之比,以找出可能的暗物质信号。它也有很大潜力来加深人类对于高能宇宙射线的起源和传播机制的理解,也有可能在高能γ射线天文方面有新发现。
11月30日消息,我国首颗暗物质科学卫星——“悟空”号在轨运行近两年,成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。该结果或有助于增进科学家对主宰宇宙的暗物质的理解。相关论文今日凌晨在著名学术期刊《自然》杂志在线发表。
最精确的观测 或取得开创性发现
据科研人员介绍,“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿高能宇宙射线,包括150万高能电子。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。
相比国外的空间探测设备,如美国费米卫星等,“悟空”不仅在能量测量范围、能谱的准确性等方面均有显著提高,更是首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1 TeV(能量单位)附近的拐折。
暗物质卫星首席科学家常进表示,“该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,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。”
此次最引人瞩目的发现是,能谱的高能段出现了一组“异常”数据,使能谱曲线在这里变得尖锐。参与了“悟空”号结果分析的中国科学院紫金山天文台研究员范一中告诉记者,“这预示着此处存在能谱精细结构。分析显示,这一结构产生的原因最有可能是暗物质。不过还需要更多数据加以确定。”
“一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。”范一中表示,目前“悟空”正以良好的状态持续工作,收集来自深空的更多数据。
火眼金睛为“看清”暗物质而来
探索暗物质的物理本质,是目前国际上粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。
暗物质是标准粒子物理模型无法解释的物质。天文观测表明,宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质要多5倍。但是暗物质不发光、相互作用弱,因而很难直接研究。
为此,科学家先后采用了加速器、地下直接探测、空间间接探测等方式对暗物质进行“管中窥豹”。其中空间间接探测就是“悟空”所采用的方法,它需要高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。
“悟空号”瞄准这个方向,用中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术,实现了国际上最精确和最高效的探测。经过一年多的数据积累,终于有了重大发现。
“中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了突破。”白春礼表示,暗物质粒子探测卫星的科学思想和探测技术来自于中科院紫金山天文台常进研究员,他20年来始终关注天体高能粒子的能谱,并探索用最简洁和高效的办法直接获取能谱数据。
中国人正走向科学发现的舞台中央
“也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。”中国科学院院长白春礼说。
自然科研中国区科学总监印格致博士说,“解答宇宙中最艰深的问题不仅使我们成为伟大的诗人,也会对我们的宇宙产生直接和积极的影响。”
他在评价此次成果时表示,“该成果展示了中国技术实力发展的一个里程碑。这次研究中实现的测量所需的精湛技术是无与伦比的,未来可能会帮助中国解决其他我们现在还想不到的技术挑战。”
作为“大师兄”,“悟空”卫星是中国的首颗天文卫星,也是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星。“十二五”期间,中科院空间科学先导专项部署了暗物质卫星、量子卫星、“实践十号”和硬X射线卫星等4个卫星工程,目前已取得一批重大科学发现和实验验证成果。
“未来,中国科学院对基础科学前沿还将继续给予特别的关注,支持和组织中国科学家向重大科学前沿问题提出挑战。”白春礼透露,中科院将重点瞄准引力波探测、宇宙起源和暗物质等前沿课题,继续布局、研制和发射新的空间科学卫星。
图:“悟空”卫星工作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。
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