「悟空」如何揭開暗物質的神秘面紗?專訪中國暗物質粒子探測衛星首席科學家常進

2017-12-04 20:00

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暗物質(維基百科)

暗物質(維基百科)

30日,中國暗物質粒子探測衛星「悟空」的首批重要科學成果向國際社會公布。作為中國發射的首顆天文衛星,被大家寄予厚望的「悟空」出手不凡,不到兩年的觀測便有一批重大成果公布,或有望揭開暗物質的神秘面紗。

「悟空」尋找的暗物質究竟是何方神聖?衛星到底看到了什麼?解開暗物質之謎跟人類有什麼關係?就這些公眾關心的問題,暗物質粒子探測衛星首席科學家常進接受了新華社記者的專訪。

一問:「悟空」究竟看到了什麼?

答:這次我們公布的首批重大成果,是「悟空」上天近兩年內觀測到的高能電子資料。最令我們興奮的一項發現是在1.4兆電子伏特(TeV)能量處,發現了一簇明顯高於平滑能譜結構的高能電子。這樣的高能電子源,已經突破了常規物理模型可以解釋的範圍,這有可能是暗物質湮滅留下的證據。

二問:暗物質是什麼?人類目前對暗物質有哪些瞭解?

答:暗物質(Dark Matter)是天文學家為了解釋宇宙中引力品質遠大于發光物質品質的疑難,而引入的一類新物質。它大約占宇宙品質的27%,而普通物質只占5%。暗物質不發射、吸收、散射光子,也不參與電磁作用,它究竟是什麼,目前還很神秘。

通俗點來說,你可以把它想像成把星系粘合在一起的「膠水」。你知道它就在那裏,但不知道它是什麼,也正因為它神秘又非常重要,暗物質也被稱為「21世紀物理學晴朗天空中的兩朵烏雲」之一。

三問:既然暗物質「看不見」、「測不著」,「悟空」怎樣抓住這樣的「宇宙幽靈」呢?

答:暗物質本身不發射、吸收或散射光子,但是暗物質粒子相互湮滅或者自身衰變,可以產生一些穩定的可觀測粒子,譬如伽馬射線、宇宙射線、中微子等。「悟空」的設計原理,就是要在太空中高精度測量伽馬射線、宇宙射線的能譜以及空間分布,來尋找暗物質粒子存在的證據。這也是目前國際上探測暗物質粒子的主要途徑之一。

四問:與其他暗物質探測器相比,「悟空」有什麼絕技?

答:空間衛星承擔尋找暗物質證據的任務,國際已有先例,比如阿爾法磁譜儀、費米衛星等。與國際上同類型設備相比,「悟空」有3個特點:工作能段高,能量解析度高,鑒別粒子本領強。「悟空」的探測極限,可以達到可見光光子能量的10兆倍,這意味著,它兼具「看得遠」和「看得準」兩個優點。

五問:為什麼找暗物質需要「上天」?

答:暗物質粒子湮滅或者衰變產生的宇宙射線粒子或者高能伽馬射線不能穿透地球大氣,會被吸收掉,所以我們決定讓「悟空」上天。

六問:「悟空」上天都做些什麼?

答:「悟空」上天的核心工作是「挖寶」!具體來講,就是在一堆宇宙高能粒子中用「火眼金睛」找出跟暗物質相關的高能電子和伽馬射線。在宇宙空間裏,質子占所有高能粒子總數的90%左右,電子大約占質子的一千分之一,伽馬射線只占一百萬分之一,這真是「沙裏淘金」啊。

七問:「悟空」背後的「師傅」們,都做哪些工作?

答:一個「悟空」在天上飛,一整個團隊在地上天天追。我們有監控人員,相當於「隊醫」,每天給衛星體檢,監測運轉情況;有資料處理人員,經過科學分析程式,記錄有用粒子的各種資訊;還有科學分析人員,要分析解釋「悟空」收集到的資料意味著什麼。整個團隊科研人員各司其職,互相配合。

八問:從目前看,「悟空」運行狀態如何?

答:「悟空」在軌運行良好,塑膠閃爍體、BGO量能器、中子探測器、矽徑跡探測器正常工作率全部高於99.2%,平均水準達到99.5%,大幅度優於原定97.5%的原定指標。星上的故障備份設備目前無一採用。我們期望「悟空」能超越3年的設計壽命,能為我們「捉妖」5至10年。

九問:下一步對「悟空」觀測有什麼期待?

答:再過1至3年,預期「悟空」在我們最為期待的1.4兆電子伏特能量處觀測電子數將積累到150-200個,那時結論會更確定。無論這些電子來源於哪里,都將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。而一旦國際科學界進一步研究確認其暗物質起源,人類就可以根據「悟空」的探測結果獲知暗物質粒子的品質、湮滅率,以及太陽系附近的暗物質團塊分布特徵,這些都是前人無法想像的成就。

十問:設想「悟空」取到了「真經」,暗物質發現對人類有什麼用?

答:基礎科學的關鍵性突破會對世界和人類生活產生顛覆性的影響,但這種影響需要耐心等待。愛因斯坦100多年前發表相對論,徹底改變了現代人類對宇宙的認知;我們現在廣泛使用的萬維網就是由粒子物理學家首先發明的。暗物質的作用我們現在無從得知,但是現在,尋找暗物質的工作已經在天天影響我和我的團隊成員,100年後,也許人類子孫後代的日常生活都離不開對暗物質性質的發掘和利用。

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