發現人類未知的宇宙——科學家詳解暗物質粒子探測衛星

2015-12-19 22:21

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怎樣尋找「宇宙幽靈」?

目前,國際上對暗物質探測方式主要分為3類。第一類是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質粒子「創造」出來,如歐洲核子中心的大型強子對撞機;第二類是在地下進行的直接探測,各國有不少這樣的實驗項目,其中中國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質實驗室;第三類是在太空進行間接探測。

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中國暗物質粒子探測衛星屬於第三種方法。這種方法怎樣尋找暗物質?常進解釋說,世界上的物質都有反物質,當一個物質遇到一個反物質的時候,兩者都會被摧毀,由此產生巨大的能量。但是暗物質非常獨特,它的反物質就是本身,如果暗物質粒子和自身的反物質粒子發生碰撞,產生的能量將更大。

「假如能夠監測到暗物質粒子碰撞後產生的高能粒子,如伽馬射線、正電子、反質子、中微子等,並能夠精確測量這些粒子的能譜,就能間接證明暗物質的存在。」常進說。

採用同樣方法的還有諾貝爾獎獲得者丁肇中研製並放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號(AMS02)以及日本今年發射的量能器電子望遠鏡等。其中AMS02已經觀測到一些異常,但因為觀測能段的限制,資料也比較少,還無法下結論。

「中國的暗物質衛星是迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的空間探測器,超過國際上所有同類探測器。」衛星科學應用系統總設計師伍健說,其能段是阿爾法磁譜儀的10倍,涵蓋了電子能譜和光子能譜發生異常的地方;其能量解析度比國際同類探測器高3倍以上。

「宇宙空間是人類最後的實驗室,宇宙射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上。」常進說,「中國暗物質衛星提出的觀測對象和觀測能區都是到目前為止國際上的第一次。」

「人類的每個『第一次』觀測,都會有許多預見不到的科學發現,我們期望這次觀測也能夠發現許多人類未知的『第一次』。」常進說。

「悟空」怎樣施展「神通」?

暗物質衛星「悟空」的長寬高只有1.5公尺、1.5公尺、1.2公尺,比一張辦公桌大不了多少。

「它體積雖小,功能卻非常強大。」常進介紹,衛星有效載荷初樣件在歐洲核子中心(CERN)進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標,表明它具有能量解析度高、測量能量範圍大和本底抑制能力強3大優勢。

衛星系統總設計師李華旺介紹,衛星由4個科學探測有效載荷組成,分別是塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器和中子探測器,共同構成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起,就像一個四層「大蛋糕」,它們各司其職,又聯合執行任務,可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

進入太空後,「悟空」將在500公里太陽同步軌道上運行。它將採取兩種觀測模式:在頭兩年採用巡天觀測模式,由於暗物質可能存在于全天區的任何區域,所以第一階段對全天掃描;兩年後衛星轉入定向觀測模式,根據全天區探測的結果分析出暗物質最可能出現的區域,並針對這些區域開展定向觀測。

衛星每天將傳回約16G資料量,地面100余人的科學家團隊將對資料展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年後發佈。

國際上很多團隊在尋找暗物質,但迄今還從未探測到暗物質的明確信號。常進坦言,暗物質的基本物理性質還沒有弄清楚,沒有人能百分之百保證找到暗物質。「但只要衛星工作正常,就為我們打開了一扇觀測宇宙的新視窗,必然會發現很多新奇的現象。」常進說,尋找暗物質需要全世界科學家共同努力。

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