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中國第一顆暗物質探測衛星運行逾一周年

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原標題:“悟空”太空尋“妖”記 中國第一顆暗物質探測衛星運行逾一周年

“鴻蒙初辟本無性,打破頑冥須悟空。”茫茫天宇間,中國的“悟空”時刻瞪大“火眼金睛”,捕捉來自神秘太空的“妖”粒子,以期找到據信“大隱于市”的暗物質,揭開鴻蒙初辟時的萬古洪荒之謎。
揭開這個萬古洪荒之謎是全人類夢寐以求的事業,世界上最優秀的科學家持之以恒、不懈努力才有破解的希望。作為中國科學家智慧和汗水的結晶,已在軌運行1年有余的悟空號表現如何?它攜帶的先進裝備運行狀況怎樣?有沒有捕捉到關于暗物質的任何蛛絲馬跡?
身體好、業績好 
雙優生一年收獲豐
作為中國第一顆暗物質粒子探測衛星,悟空號的核心部件雖然完成了相關國際水平的測試和實驗,但是它適應太空環境的能力有待進一步檢驗。同時,在九天之上運行,時刻受宇宙射線和太陽耀斑等威脅之下,其在軌運行一年多來保持良好的“身體”狀況,才是“硬道理”。 
令人欣喜的是,前不久在南京舉行的“悟空”升空一周年學術年會上,所有參會的中外暗物質研究專家都給“悟空”的表現打了滿分100分。經過詳細“體檢”,“悟空”4個有效載荷中有3個即塑料閃爍體、BGO(鍺酸鉍晶體)量能器、中子探測器100%正常工作,硅徑跡探測器正常工作率達到99.85%,大幅度優于原定的97.5%的指標。
在工作業績方面,勤勉敬業的“悟空”更是贏得了另一個滿分。發射成功不到3天,“悟空”的首軌X頻段下行數據就被順利接收、記錄,并傳輸至中國科學院國家空間科學中心,標志著其與地面站之間的數據傳輸鏈路正式開通。之后圓滿完成3個月在軌測試任務,順利交付。運行一周年后,根據嚴格評估,“悟空”在粒子的電荷測量、能量測量、方向測量、粒子鑒別等方面都取得了重要進展,全面實現或超過了設計指標,完成全天區覆蓋兩次,共探測了18億個粒子,這些粒子中,5GEV到10TEV區間的高能電子數量已達到100萬個。它們可能來自于暗物質湮滅。“悟空”還發現了有些粒子表現出一些現有基本的物理知識“解釋不了”的奇怪現象,這些很可能包含暗物質的信號。此外,“悟空”還有兩個可圈可點的表現,一是完成了一張全天伽馬射線圖,二是成功探測到黑洞CTA 102伽馬射線爆發,并被紫金山天文臺1米近地天體巡天望遠鏡記錄所印證。
裝備精、顯神通 
創造3項世界之最 
紫金山天文臺副臺長、暗物質粒子探測衛星首席科學家常進興奮地表示,“悟空”的表現超出預期,正在打開物理新窗口的道路上穩步前進! 日內瓦大學教授吳欣也對“悟空”的表現給予高度評價,并認為它將大幅超期“服役”。他說, 7萬多路探測粒子信道目前工作正常,備用的器件都沒有用上,設計壽命3年,期望運行5到10年。同時,收集到目標粒子越來越多,繪制的能譜越來越穩定,有望早日取得突破性發現。 
與國際同類探測設備如阿爾法磁譜儀相比,“悟空”表現大幅占優,它擁有3個“世界之最”的先天優勢:最高的能量分辨本領、最寬的觀測能段、最強的高能粒子鑒別本領。優秀的表現得益于精良的武器裝備。“悟空”擁有很多中國獨有的技術。比如探測器最核心的組成部分BGO量能器,在“悟空”之前,該設備所用的晶體,全世界最長的只有30厘米,而“悟空”BGO量能器的晶體長度達到60厘米,這是中科院上海硅酸鹽所出品的正宗國產貨。BGO量能器的性能經過歐洲核子中心嚴格的束流標定實驗檢測。該實驗是利用高能粒子測試探測器探測性能,以確認各項性能指標是否滿足設計要求,并為后續衛星在軌實驗數據分析提供標定依據。在方案和初樣研制階段中,BGO量能器分系統分別于2012年和2014年在歐洲核子中心成功完成兩次束流標定實驗,利用高能電子束流等驗證了量能器探測器、電子學、在線控制裝置和相關數據分析軟件等組件功能正常,能量分辨率、能量線性等重要指標合格。經過千錘百煉,“悟空”的BGO量能器數據讀出的動態范圍達到同類型探測器中最大,同時,“悟空”既能測量粒子能量、又能區分粒子的種類。 
中國智、耀環宇
九天上捕捉暗物質 
暗物質被科學家比作“籠罩在21世紀物理學天空中的烏云”,它涉及宇宙產生和演化的基本問題,對幫助人類認識世界有重要意義。以暗物質粒子探測為己任的“悟空”無疑是中國科學家為推進人類認識世界的一件利器,在經過一年多成功運行之后,它將在總結經驗的基礎上,進一步提高探測效率,更好完成自己的使命。根據計劃,“悟空”在最初兩年進行全天掃描,接受來自宇宙四面八方的高能電子及高能伽馬射線,之后將根椐全天區探測的分析結果,對暗物質最可能出現的區城開展定向觀測。 
就在“悟空”在九天之上用火眼金睛掃描太空的同時,在中國四川雅礱江錦屏山垂直巖石2400米的地下,另一個以暗物質探測為主要目標之一的“熊貓計劃”也在緊張實施中。“上天入地”,“悟空”+“熊貓”,這就是中國科學家揭開暗物質之謎的干勁兒。作為前沿科學課題,暗物質探測當然也是世界最頂尖的科學家們競逐的領域。美國、意大利、日本等國家都發射或放置過探測暗物質的儀器,而諾貝爾獎得主丁肇中領銜的團隊通過在放置在國際空間站上的阿爾法磁譜儀來探測暗物質無疑是最知名的。 
“目前,世界上有數十家實驗探測暗物質粒子。隨著靈敏度逐漸提升,暗物質粒子的剩余參數空間越來越小,人類或許很快就將揭開暗物質的神秘面紗。”常進在一篇文章中對前景作出樂觀的判斷,并對“悟空”的優秀表現表達了充分的信心。而“熊貓計劃”負責人季向東教授對中國科學家在暗物質探測突破中起到的作用充滿期待,他說,現代科學史上很少有中國人的名字,教科書中大多是牛頓、愛因斯坦等西方人。在暗物質領域,我們希望,將來的教科書中會出現中國人的名字。現在機會就在我們眼前,不能再錯過。 
鏈接一 
大隱于市 
從上世紀30年代起,天文學家就從觀測中陸續找到了一些證據,暗示宇宙中物質的質量遠遠大于所有可見物質的總和。比如,他們發現銀河系里千千萬萬顆恒星的運動速度大于預期,如果沒有更多的東西施加額外的引力,銀河系本身就會被甩得分崩離析,根本不能凝聚成形。再比如,星系團之類的龐大天體能夠彎曲星光,扭曲并放大背后更遙遠星系的影像,通過這種引力透鏡效應,天文學家發現星系團的質量遠遠超出其中發光物質的總和。于是,天文學家假設宇宙中存在一類看不見的物質,稱它們為暗物質。結合現有的天文觀測證據,天文學家普遍相信,宇宙中暗物質的質量大約是普通物質的5.5倍。 
主流理論認為,暗物質可能由一大類粒子構成,它們被稱為弱相互作用大質量粒子(WIMP)。不同于構成我們身體及周邊所有物品的基本粒子,這些暗物質粒子本身質量較大,卻不參與任何電磁相互作用。不要小瞧這一“絕技”。歸根到底,我們看得見、摸得著、嘗得出、聞得到、聽得清身邊的其他東西,都是電磁相互作用在其中貢獻力量的結果。所以,完全不參與電磁相互作用的WIMP粒子,就相當于是粒子世界中本領高超的隱身胖子,既看不見,也摸不著,更不要說用其他感觀去感受它了。  
(文心) 
鏈接二 
探測有方 
探測暗物質粒子,科學家有3種辦法。 
①主動創造法。能量和質量在一定條件下可以相互轉換。如果把足夠高的能量濃縮在極小的空間體積之內,這些能量就會轉化為各式各樣的粒子四散奔逃,被科學家設置在周邊的各類探測器記錄下來。如能量足夠高,理論上,這樣的碰撞有可能產生出暗物質粒子。這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果發生這樣的能量失蹤案,便可以為暗物質粒子的存在提供直接證據。 
②守株待兔法。暗物質粒子會參與弱相互作用。這種力與電磁力不同,只能在原子核內部發揮作用。因此,盡管暗物質粒子是隱身的,并不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣,它們也有可能一頭撞上原子核這個“樹樁”。被暗物質粒子撞上的原子核會發光發熱,或者被撞得偏離了原來的位置,這些光和熱還有位置移動是科學家有可能探測到的。只可惜,原子核太小太小,暗物質粒子撞上去的幾率低到幾乎可以忽略。科學家在巨大的探測器里裝上大量反應物質,等待過路的暗物質粒子碰巧撞上其中某個原子核。當然,為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產生的干擾,科學家往往把這樣的暗物質探測器深埋在地下,讓厚厚的巖層把不會隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。 
③九天探測法。有理論預言,當兩個暗物質粒子相遇時,它們會相互湮滅,產生出高能的伽馬射線,或者產生出高能的正反粒子對。不論是伽馬射線,還是普通的反物質粒子,都是可以直接探測到的。如果科學家在暗物質集中的地方探測到了過量的伽馬射線,或者在宇宙中探測到了來源不明的高能反物質粒子,它們就有可能來源于反物質粒子的湮滅,從而給反物質的存在提供間接的證據。不過,由于這些信號無法很好地穿透地球大氣層,用這種方法來間接尋找暗物質的探測器,必須被發射到地球以外才能夠發揮作用。“悟空”采用的便是這第三種辦法,到太空中探測高能粒子和伽馬射線,期望從中能夠找到暗物質存在的證據,并推斷出它們的某些性質。 
(據新華社) 
圖片繪制:賀萌
《人民日報海外版》( 2017年01月21日 第 08 版)
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責任編輯: 閆月

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