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“悟空”究竟看到哪路“妖精”

来源:科普时报 作者:常 进 2017年12月07日 15:13
[导读] 

 把卫星的“眼睛”作为人的眼睛来看






暗物质粒子探测卫星属于空间间接探测暗物质粒子,主要是到空间去探测暗物质的物理性质,弄清楚它的物理本质。

由于暗物质粒子湮灭或衰变时产生的信号很微弱,所以需要一个高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜,也就是说要“看得清测得准”。

2015年12月17日在酒泉卫星发射中心,“悟空”卫星成功发射。

“悟空”卫星本身就是宇宙线和伽马射线望远镜,所以还可以做宇宙射线起源和传播加速方面的研究,这也是天文方面一个很重要的科学问题。

在暗物质方面,暗物质卫星要找三个典型的信号,一个是伽马射线谱线,一个是晕状分布的伽马射线,一个是奇异电子能谱结构。这三个是暗物质的特征信号。它和其他的天体物理构成有显著的区别,找到这三个信号对研究暗物质特别重要。

暗物质卫星是一个高能粒子和伽马射线望远镜,从顶部到底部一共有四种探测器。顶部是塑料闪烁体探测器,往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。

暗物质粒子探测卫星总共有75916路子探测器,可以说这是我们国家在天上飞行或上天的电子学方面最复杂的一颗卫星。

“悟空”卫星希望通过观测GeV到10个TeV以上的高能电子和伽马射线来探测暗物质粒子,要求单个探测器的动态范围达到100万倍。这是个物理概念,简单来讲,就是把“悟空”卫星的“眼睛”作为人的眼睛来看的话,你要看到一个两米高的篮球运动员,同时还能看到他身上最小的细胞,一般来讲是只有2微米的血小板。这是一件难度很大的事情。

“悟空”是世界上第一次在空间观测TeV上的波段,这就相当于打开了宇宙观测的新窗口,因为不同波段反映了不同的物理构成。

到目前为止, “悟空”在天将近两年,全天扫描了4次,获得了超过35亿个高能粒子。

这一次发表的结果是基于530天的数据,从28亿个高能粒子里面选出了150万个高能电子,它观测的能段从25个GeV到5个TeV。

首先,“悟空”号的能量测量范围与世界上其他的空间项目相比有显著提高,开辟了宇宙观测新窗口。AMS-02(阿尔法磁谱仪)是不到1个TeV,费米大概在2个TeV以下,但是我们接近5个TeV,这个窗口的延伸对科学特别重要。

第二个是测量到TeV电子的纯净度最高,也就是看得清,能谱的准确性最高。所以我们说“悟空获得了世界上精度最高的宇宙高能电子能谱”。它的本底最低,系统误差最小。

它在物理上首次直接测量到了能谱在1TeV处的拐折。因为通过十多年的观测,在1TeV以下发现了宇宙高能电子的异常,有个超出情况。这个超出究竟是来自于暗物质还是特殊的天体物理构成,到现在为止还不是很清楚,只有把这个拐折测出来往下“掉”,才能判断它的物理源。我们测出了这个“掉”,澄清了TeV电子的能谱行为,为判断TeV以下的高能电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭提供了关键性的数据。

以前国际上花了那么多钱,看到了异常,这些异常是什么东西呢,这次通过我们这个数据基本能够判定清楚。

科学观察有一个特殊性,本来就要做A,但往往发现的是B,“种瓜得豆”在科学上是常有的事情。

我们在高能段发现了一个令人瞩目的现象,就是这一个点,流量突然上去又下来了。这个点是我们没有预见到的,它用现有的物理知识还没办法解释。

我们的数据量到现在还不足以百分之百肯定我们发现了什么东西,但好消息是“悟空”号在天上工作几乎完美,还在继续收集数据,希望通过后面的数据能够弄清楚在TeV能段这些新奇的现象究竟是怎么回事。

暗物质探测意义何在

 

    根据天文观测表明,暗物质没有强相互作用,也没有电磁相互作用,这意味着它既不发光,也不反射光,也不吸收光,通过光学原理你找不到它,相互作用很微弱。暗物质是可见物质的5倍,长寿命、质量大,把暗物质的物理性质和标准模型里面的所有基本粒子相匹配,发现没有一个基本粒子能符合暗物质的物理性质。

    暗物质本身不可见,但暗物质湮灭或衰变了的时候会产生看得见的粒子。这就意味着,如果找到了暗物质粒子,肯定会超出标准模型,导致物理学发生巨变。这就是暗物质探测意义重大的主要原因。

    国际上已经在暗物质探测方面耗资数百亿美元,探测方式包括在加速器上探测暗物质粒子,在地下直接探测暗物质粒子,和在天上间接探测暗物质粒子。


 

(作者系暗物质粒子探测卫星首席科学家、中国科学院紫金山天文台研究员)

    现在地面和空间的大量观测表明,我们宇宙最主要的部分是暗物质和暗能量,人类只弄清了宇宙的5%。
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[责任编辑:kb107]
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