中国暗物质粒子探测卫星取得重大突破

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中国的暗物质粒子探测卫星取得了重大突破

中国科学院紫金山天文台副台长、空号卫星首席科学家常进介绍了暗物质粒子探测卫星的科研成果。我们的记者申会照片

这是一只勤奋的“猴子”。它一天绕地球飞行15次，每圈超过40000公里，一天超过600000公里；这是一只受过“火之眼”训练的“猴子”。它承载着中国人民的空科学梦想，捕捉到了神秘的“幽灵”——浩瀚宇宙中的暗物质

11月27日，在暗物质粒子探测卫星“吴空”发射700多天后，暗物质卫星小组宣布“吴空”号已经获得

“虽然我们仍然不知道这些结果代表什么，但这些结果超出了我们的预期，它可能会改变我们看待宇宙的方式。”中国自然科学部主任尹格芝说。在科学家看来，这可能意味着一种新的天文现象，也可能是暗物质发出的信号。

宇宙中的暗物质“幽灵”

揭开暗物质的神秘面纱将是物理学的一个革命性突破

仰望明亮的星星空，未知将永远存在。如果把21世纪的现代物理学和天文学比作“晴空空”，那么暗物质和暗能量就是空.天空中的“两朵乌云”

20世纪30年代，首次提出暗物质概念的瑞士天文学家弗里斯·兹维奇(freese Zwicky)发现，大型星系团中的星系移动速度非常快，但星系团中直接可见的物质所产生的重力远远不足以将星系聚集在一起。他认为除了可见物质之外，宇宙中还应该有一种“不可见物质”——暗物质。

根据最新的宇宙观测，宇宙更像是一个由三部分组成的馅饼，只有4.9%的普通物质(即可以用标准粒子物理模型解释的物质)是人类所熟悉的，其余95%是人类尚未了解的暗物质(26.8%)和暗能量(68.3%)。

什么是暗物质？一个词“黑暗”告诉本质——“无形的”物质。这种不可见性并不是说肉眼在可见光波段是不可见的，而是说即使使用了“十八般武艺”，任何众所周知的探测手段，如红外线、紫外线、x光等。被使用，它看不见。原因很简单。它不反光也不发射电磁波，它像幽灵一样神秘而不易察觉。

尽管它来了又去，科学家们坚信揭开暗物质的秘密将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论和量子力学之后物理学的又一次革命性突破。到那时，人类将对物质、时间空和宇宙起源等基本问题有更深的理解。

我们怎样才能抓住这个隐藏在宇宙黑暗中的“幽灵”？目前，科学家主要采用三种探测方法:直接探测、间接探测和对撞机探测。

中国四川锦屏地下实验室采用直接探测，即探测暗物质粒子与普通原子核碰撞产生的信号，来探测暗物质。对撞机探测，也就是说，暗物质粒子是由两个高能粒子在加速器上的碰撞“创造”出来的，比如欧洲核中心的大型强子对撞机。间接探测是通过探测暗物质粒子湮灭后产生的可见粒子(普通粒子)来探测不可见的暗物质粒子。暗物质卫星“吴空”就属于这一类。

据暗物质卫星科学应用系统副总工程师、紫金山天文台研究员范介绍，如果两个暗物质粒子碰撞湮灭，将产生高能宇宙射线，如高能正负电子对、高能伽马射线、质子或反质子流等。可以生产容易检测的。如果我们能精确地测量这些粒子的能谱，我们可能会发现暗物质存在的线索，这间接地证明了暗物质的存在。

“吴空'的核心任务是寻找宇宙射线和伽马射线辐射中存在暗物质粒子的证据，并进行天体物理学研究。”中国科学院院长白春礼说。

“醒目”的坦泰空

“吴·空”肩负着寻找暗物质的重任，并一飞冲天

就像《西游记》一样，唐僧把孙武空从五指山脚下救了出来，给了他新的生命。实际上,“吴空”的诞生也离不开一个人，即暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副主任常进。

十多年前，常进在美国参加了一项长期的气球实验，观察高能电子。在这个实验中，他们发现了一个奇怪的现象:能量范围在3000亿到8000亿电子伏特的高能电子的通量明显超过了模型预测的通量。

这些不明高能电子是暗物质粒子湮灭产生的“犯罪证据”，还是来自某些天体，如脉冲星(即旋转中子星)和超新星遗迹？这在当时的科学界引起了轩然大波。由于相关数据太少，置信水平不高，无法确定持续的进展。然而，这个发现让他梦想着它。“如果我能制造一个更大的探测器并把它放在卫星上，也许我就能判断它是否是暗物质湮灭产生的高能电子。”。

就这样，2015年12月17日，肩负着发现暗物质的重任的“吴空”飞上了天空。根据范对的解释，那里有一些高能粒子，主要是质子、氦核等。，其中也含有少量的电子，在地球的外层大气空.暗物质湮灭过程中产生的正负电子对可能会在电子宇宙线的总能谱中产生一些特殊的信号。捕捉这些信号是“吴空".”的主要科学目标

“吴空'卫星采用中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的新探测技术和方法，实现了高能电子和伽马射线的经济适用观测。”中国科学院National/きだよ 0科学中心主任吴吉说。

这真是一个突破。以阿尔法磁谱仪2号为例。虽然它可以观察很长时间，但它的成本很高，大约20亿美元。相比之下，耗资约7亿元人民币的“吴空”要经济得多。

当然,“吴空".”最大的卖点是看得清楚、测量准确作为世界上观测能量范围最广、能量分辨率最高、粒子分辨能力最强的高能粒子探测卫星，“武空”号由一个卫星平台和四个有效载荷组成，即塑料闪光阵列探测器、硅阵列探测器、bgo热量计和中子探测器。它们一起组成了高能粒子望远镜。最大可观测能量是国际空站“阿尔法磁谱仪”的10倍，能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

这是什么概念？常金打了个比方。例如，如果你抬头看一个身高超过两米的篮球运动员，你不仅可以看到他体内的细胞，还可以看到分布在他体内的血小板。

宇宙观测的新窗口

吴空电子宇宙线能量的测量范围显著提高

“表演太完美了！”当吴季提到“吴空”时，他有点激动，他在泰空.度过了700多天他说这颗卫星已经在轨道上运行了将近两年。到目前为止，所有探测器的性能都与首次发射时一样，并且保持满分。天空中没有一分钟是浪费的。

“吴空”以每秒60个高能粒子和每天500万个高能粒子的平均速度昼夜巡逻。在其轨道运行的前530天，它收集了约28亿条高能宇宙射线，包括约150万条25gev(gev)以上的电子宇宙射线。基于这些数据，研究人员成功地获得了世界上最精确的tev电子宇宙射线探测结果，该结果于11月30日(北京时间)在国际顶级杂志《自然》上发表。

常进告诉《经济日报》,与之前的结果相比,“吴空”电子宇宙线能量的测量范围明显高于国外空探测设备，这为人类观察宇宙扩大了窗口。以前，在tev上面没有人在天空中准确地观察到它。同时，测得的tev电子的“纯度”最高(即混合在其中的质子数最少)，能谱的准确度也很高。

令张进惊讶的是，“吴空”首次直接测量了电子宇宙线能谱在1tev时的拐点:能谱流速在0.9tev以下相对平缓，但在0.9 tev以上则陡得多。

“尽管一些地面实验声称已经发现了扭结的迹象，但数据误差太大，而费米卫星在今年年初说它没有看到这种扭结。吴空'直接衡量了这一回合。”解释说，如果暗物质直接湮灭正负电子对，那么在能谱中会有非常陡峭的截断，而脉冲星等天文模型给出的能谱则非常平滑。因此，精确测量1tev以上的能谱非常重要。

“这一转折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，它的精确衰减行为在判断某些(能量小于1千电子伏)电子宇宙射线是否来自暗物质中起着关键作用。”范对说道。

令张进惊讶的是，电子宇宙射线谱似乎有一个1.4tev的峰结构。范钟毅说，“吴空”只收集了一年多的数据，需要两到三年的数据才能对这个峰结构做出更具体的判断。至于它是否是暗物质，我们需要详细的数据来研究它。现在，他们的任务是等待“吴空”收集更多的数据，此外还要深入发展分析方法。

正如伟大的科幻作家艾萨克·阿西莫夫曾经说过的那样，在科学探索中能听到的最激动人心的一句话，也就是出现在最重要的新发现之前的那句话——不是“尤里卡，我找到了！”这是“嗯，这很奇怪！”

我们期待“吴空”会刺破天空，并以它的醒目，打开空天空中的“乌云”,给我们一个更清晰的宇宙。

来源：零点娱乐时刊