中国暗物质粒子探测卫星取得重大突破

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资料图:2017年11月30日,“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进在介绍“悟空”的首批成果。(中新社记者
张素 摄)

这是一只勤奋的“猴子”,它每天绕地球飞行15圈,每圈4万多公里,一天下来“腾云驾雾”60多万公里;这是一只练就了“火眼金睛”的“猴子”,它肩负着中国人的空间科学梦想,在茫茫宇宙中捕捉神秘的“幽灵”——暗物质
11月27日,暗物质粒子探测卫星“悟空”腾空700多天后,暗物质卫星团队宣布:“悟空”获得了目前国际上最精确的TeV电子宇宙射线能谱,并首次直接测量到了该能谱在1TeV处的拐折。
“悟空”卫星的首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进在介绍暗物质粒子探测卫星的科学成果。沈
慧摄
“虽然我们现在还不知道这些结果代表着什么,但这些结果出乎我们意料,它有可能将改变我们看待宇宙的方式。”《自然》中国区科学总监印格致表示。在科学家们看来,这或许意味着一个新的天文现象,当然也有可能是来自暗物质的信号。
宇宙“幽灵”暗物质 揭开暗物质之谜将是物理学的革命性突破
仰望璀璨星空,未知永远存在。如果把21世纪现代物理学和天文学比作“晴朗的天空”,那么暗物质和暗能量,就是天空中的“两朵乌云”。
上世纪30年代,最早提出暗物质概念的瑞士天文学家弗里兹·兹威基发现,大星系团中星系运动速度非常快,但星系团中直接可见物质所产生的引力远不足以将各个星系聚拢在一起。他认为,宇宙中除了可见物质之外,应该还存在着一种“看不见的物质”——暗物质。
最新的宇宙观察发现,宇宙更像一个由3部分组成的大饼,人类目前熟悉的普通物质仅占4.9%,其余95%以上是人类还没弄清楚的暗物质和暗能量。

暗物质粒子探测卫星“悟空”

(科技日报3月11日报道)“过去的一年,那只‘猴子’没有让我们失望。”春节后,记者来到中国科学院紫金山天文台,该台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进开门见山地说。当全国上下都在庆祝新春佳节时,天上那只“猴子”依旧奔跑在500公里高的太阳同步轨道上,忙忙碌碌。截至2018年年底,中国科学院紫金山天文台研制的我国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号已绕地球飞行了16597圈,探测宇宙射线粒子55亿个

究竟什么是暗物质?一个“暗”字道出了本质——“看不见”的物质。这种看不见,不是说在可见光波段肉眼看不见,而是即便使出“十八般武艺”,动用以往熟知的任何探测手段,诸如红外线、紫外线、X射线等,都看不到它。个中原因很简单,它不反射光也不发出电磁波,像幽灵一样神秘而无法感知。

“过去的一年,那只‘猴子’没有让我们失望。”春节后,记者来到中国科学院紫金山天文台,该台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进开门见山地说。

在相同时间内,澳门新葡亰平台官网 ,它积累的TeV(1TeV=1万亿电子伏特)以上的观测数据相当于国际空间站上的日本量能器电子望远镜和阿尔法磁谱仪实验的5倍以上,意味着完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

虽然来无影去无踪,但科学家们坚信,揭开暗物质之谜,将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,物理学的又一次革命性突破。届时,人类对物质、时空和宇宙起源等基本问题将会有更深的认识。
如何才能捕捉到这只藏身于宇宙黑暗处的“幽灵”?目前,科学家们主要采用3种探测方法,直接探测、间接探测和对撞机探测。
直接探测,即探测暗物质粒子和普通原子核碰撞所产生的信号,我国四川锦屏地下实验室就是采取这种方法窥探暗物质。对撞机探测,即在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞机。间接探测,即通过探测暗物质粒子湮灭后产生的看得见的粒子,来探测看不见的暗物质粒子。暗物质卫星“悟空”就属于此种。
根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一中的说法,两个暗物质粒子如果相碰撞并湮灭,可能会产生易于探测的高能正负电子对、高能伽马射线、质子或反质子流等高能宇宙射线。如果能够精确测量到这些粒子的能谱,就可能会发现暗物质存在的蛛丝马迹,间接证明暗物质的存在。
“‘悟空’的核心使命就是在宇宙射线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。”中国科学院院长白春礼说。
“火眼金睛”探太空 “悟空”承载着寻出暗物质的重任一飞冲天
就像《西游记》中唐僧从五指山下将孙悟空解救出来,给了他一次新生。现实中,“悟空”的诞生也与一个人密不可分,他就是暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进。
10多年前,常进参与了美国一个长周期气球试验,对高能电子进行观测。这次实验中,他们发现了一个奇异现象:高能电子流量在3000亿至8000亿电子伏特能量区间显著超出了模型预计的流量。
这些不明高能电子到底是不是暗物质粒子湮灭时所产生的“罪证”,还是来自一些天体,诸如脉冲星、超新星遗迹等?这在当时的科学界曾引起轩然大波。因为所获相关数据太少,置信度不高,常进也无法确定。但这一发现让他从此魂牵梦绕,“如果我能够做一个更大的探测器,并把它放到卫星上,或许就能够判断这是不是暗物质湮灭产生的高能电子”。
就这样,2015年12月17日,承载着寻出暗物质这一“幽灵”重任的“悟空”一飞冲天。按照范一中的解释,在地球大气层外的太空,尽管物质非常稀薄,但传播着一些高能粒子,主要是质子、氦核等,也包含少量电子。暗物质湮灭过程中产生的正、负电子对,有可能在电子宇宙射线的总能谱中产生一些特殊信号。而捕捉这些信号这正是“悟空”的首要科学目标。
“‘悟空’卫星采用了中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能电子、伽马射线的经济适用型观测。”中科院国家空间科学中心主任吴季说。
这确实是个突破。以阿尔法磁谱仪2号为例,它虽然能长时间观测,但耗资高,造价约为20亿美元。相比之下,造价约7亿元人民币的“悟空”,要经济实惠得多。
当然,看得清、测得准才是“悟空”的最大“卖点”。作为目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优和粒子鉴别能力最强的高能粒子探测卫星,“悟空”由卫星平台和4个有效载荷组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器。它们共同构成一个高能粒子望远镜,最高可观测能量是国际空间站“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?常进打了个比方,好比你抬头去看两米多高的篮球运动员,不只能看到他身上的细胞,还可以看到分布其中的血小板。
宇宙观测新窗口 “悟空”的电子宇宙射线能量测量范围显著提高
“表现堪称完美!”提及在太空中遨游了700多天的“悟空”,吴季有些激动。他说,卫星在轨接近两年,到目前为止所有探测器性能和刚发射时一样,保持满分状态,在天上没有浪费一分钟。
“悟空”以平均每秒60个高能粒子、每天500万个高能粒子的速度,昼夜不停巡视。它在轨运行的前530天,共采集了约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万例25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果,该成果于今年11月30日在国际顶级期刊《Nature》杂志在线发表。
常进告诉《经济日报》记者,与之前结果相比,“悟空”的电子宇宙射线能量测量范围比国外的空间探测设备有显著提高,拓展了人类观察宇宙的窗口。此前,TeV以上还没有人在天上准确观测过。与此同时,测量到的TeV电子的“纯净”程度最高,能谱的准确性高。
更让常进惊喜的是,“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的拐折:能谱在0.9TeV以下流量下降相对平缓,而之上却陡峭得多。
“之前虽有地面实验宣称发现了拐折迹象,但数据误差实在太大,而今年年初Fermi卫星说没有看到这个拐折。‘悟空’直接测量到了这一拐折。”范一中解释,如果暗物质直接湮灭到正、负电子对,那么能谱上会出现一个非常陡的截断,而天文模型,例如脉冲星给出的能谱则非常的光滑。因此,1TeV以上的能谱精确测量非常关键。
“该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。”范一中称。
出乎常进等人的意料,电子宇宙射线能谱在1.4TeV处似乎存在尖峰状结构。范一中说,“悟空”目前只收集到了一年多的数据,还需要两到三年的数据才能对这一尖峰结构进行更具体判断。至于它是不是暗物质,更需要详实数据去研究。现在,他们的任务除了深入发展分析的方法,就是等待“悟空”收集更多数据。
正如伟大科幻小说作家艾萨克·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,即在最重要的新发现之前出现的短语——不是“尤里卡,我找到了!”而是“嗯,这挺奇怪!”
我们期待,“悟空”刺破苍穹,用它的火眼金睛,拨开天空中的那朵“乌云”,还我们一个更清晰的宇宙。

当全国上下都在庆祝新春佳节时,天上那只“猴子”依旧奔跑在500公里高的太阳同步轨道上,忙忙碌碌。

■看不见摸不着却与我们息息相关

截至2018年年底,中国科学院紫金山天文台研制的我国第一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”号已绕地球飞行了16597圈,探测宇宙射线粒子55亿个。

20世纪30年代,科学家发现,宇宙中可见物质远远不足以把星系连成一片,构成星系团,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系团早就分崩离析。科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。到了20世纪70年代,多种天文观测结果都暗示着暗物质的存在。但直到现在还没有确切的暗物质信号被探测到。虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些了解。

在相同时间内,它积累的TeV(1TeV=1万亿电子伏特)以上的观测数据相当于国际空间站上的日本量能器电子望远镜和阿尔法磁谱仪实验的5倍以上,意味着完成了其他“同行”至少10年的工作量。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,其中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,它无法用任何光学或电磁波观测设备直接“看”到。暗物质运行速度很快。科学家测算,暗物质粒子的运动速度为每秒220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

看不见摸不着却与我们息息相关

科学家推测暗物质产生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常大,它们剧烈碰撞,产生包括暗物质在内的各种各样的物质。宇宙的结构也与暗物质有关。它是促使宇宙中的普通物质在自身引力下形成特定结构的重要推手。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力“核”上,并最终形成了星系。

20世纪30年代,科学家发现,宇宙中可见物质远远不足以把星系连成一片,构成星系团,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系团早就分崩离析。科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。

暗物质对生命来说更是至关重要。假如没有暗物质的引力作用,我们所在的银河系将很可能无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中形成。暗物质这么神秘,我们投入这么多人力物力去寻找它,那么它究竟有什么应用价值呢?“当年,爱因斯坦也想不到量子力学和相对论有什么应用价值,但是今天我们每个人用到的手机等通讯设备,哪一个离得开这些科学发现?”常进说道。

到了20世纪70年代,多种天文观测结果都暗示着暗物质的存在。但直到现在还没有确切的暗物质信号被探测到。

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虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些了解。

宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,其中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,它无法用任何光学或电磁波观测设备直接“看”到。暗物质运行速度很快。科学家测算,暗物质粒子的运动速度为每秒220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

科学家推测暗物质产生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常大,它们剧烈碰撞,产生包括暗物质在内的各种各样的物质。

宇宙的结构也与暗物质有关。它是促使宇宙中的普通物质在自身引力下形成特定结构的重要推手。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力“核”上,并最终形成了星系。

暗物质对生命来说更是至关重要。假如没有暗物质的引力作用,我们所在的银河系将很可能无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中形成。

暗物质这么神秘,我们投入这么多人力物力去寻找它,那么它究竟有什么应用价值呢?

“当年,爱因斯坦也想不到量子力学和相对论有什么应用价值,但是今天我们每个人用到的手机等通讯设备,哪一个离得开这些科学发现?”常进说道。

带着“水晶棒”的银白色美猴王

2015年12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空,卫星顺利进入预定转移轨道。这标志着我国空间科学探测研究迈出了重要一步。

“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空间望远镜,”常进说,“它有望深刻地变革人类的宇宙观,实现空间科学重大突破。”

“悟空”的身材比一般的卫星小巧,“三围”分别为1.5米、1.5米、1.2米,像盒银白色的方形蛋糕。“悟空”在太空中接收来自宇宙的高能原子核、电子和伽马射线的信号,它是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。

中科院紫金山天文台研究员袁强介绍说,目前国际上最著名的三个暗物质探测器分别是美国费米卫星、阿尔法磁谱仪AMS-02和我国的“悟空”。三者各有特色,AMS-02可以区分正反物质,费米的探测器面积大,而我们的探测器分辨率最高。

常进说,“悟空”在观测能段范围、能量分辨率、粒子鉴别本领等方面优于别的探测器,其观测能段是阿尔法磁谱仪的10倍,能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。而费用只有1亿美元,分别是美国费米、AMS-02的1/7和1/20。

以《西游记》中的美猴王名字命名的卫星“悟空”,没有携带金箍棒,却带了300多根“水晶棒”。

位于卫星核心部位的BGO能量器包含了308根纵横交错的晶体,每一根都有2.5厘米见方、60厘米长,是世界上最长的BGO晶体。

这些漂亮的“水晶棒”能够测量入射粒子的能量。电子和质子与晶体发生相互作用,产生类似淋浴喷水形状的簇射,而电子和质子产生的簇射形状不同,因而科学家可以区分出质子和电子。

“年富力强”并将继续在太空服役

每天清晨和傍晚,“悟空”都会路过中国上空。位于密云、喀什、三亚的三个数据接收站,每天接收它回传的约16G数据。而常进带领的团队就是要从日积月累的海量数据中分析出有价值的科学成果。

而在一年多前,常进团队就已向世界展示出首批成果:精确测量太空中的电子宇宙射线能谱。该成果于2017年12月7日在国际权威学术期刊《自然》发表。

电子宇宙射线的正常能谱变化应是一条平滑曲线。根据“悟空”积累的观测数据,科学家们发现在0.9万亿电子伏特处电子能谱呈现出明显的拐折,并且有初步迹象表明在1.4万亿电子伏特的超高能段呈现出异常波动,反映在图上是一个“尖峰”。

这些结构只有在观测精度达到最好的情况下才能被看到,幸运的是,“悟空”做到了!电子能谱在0.9万亿电子伏特处的拐折具有重要的天体物理意义,它反映出宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,并且可以对部分暗物质理论模型给出很强的约束。1.4万亿电子伏特处的异常波动则显得更引人关注。不过,根据现有数据量和理论模型,还无法断定这一现象是否就是暗物质踪迹。

袁强告诉记者,探测暗物质的方式主要分为三类:一是对撞机探测,主要有欧洲核子中心的大型强子对撞机;二是在地下进行的直接探测,我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验;三是间接探测,主要在空间进行。

“悟空”卫星就是采用第三种方式。物理学家们认为,暗物质粒子碰撞后会产生高能粒子,如伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。暗物质卫星就是精确探测这些粒子,通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

“悟空”设计寿命为3年,目前已经到期,但它看起来依旧“年富力强”。“经过评估,我们认为‘悟空’还可以继续在太空服役,现在已经被批准延长2年工作时间。”袁强说道。

常进:“要对得起国家的这份信任”

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中科院紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进受访者供图

500公里外的太阳同步轨道上,来自中国的“悟空”正在太空中遨游。每天,它都在用“火眼金睛”探测宇宙高能粒子,努力为人类拨开暗物质的“乌云”。

“‘悟空’的成功,证明了高能量分辨的薄探测器是可行的,为人类打开了观测宇宙的‘新窗口’。”春节假期,常进仍旧像一台开足马力的机器,在办公室奋战。

作为“悟空”的“师父”,中科院紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进研究员用二十多年时间上下求索,找到一把探测暗物质的“钥匙”。

“空间试验没有任何改正错误的机会,一个很小的错误都可能造成卫星失败,几百人多年的努力就白费了,所以我们要对得起国家的这份信任与支持。”常进说。

1992年,常进加入中科院紫金山天文台,研究宇宙高能电子、高能伽马射线。然而,高能粒子并不像名字听起来那样“高能”,因流量太弱,唯有高性能探测器才有机会观测它们。

1998年,常进发现,采用高能量分辨的薄探测器也能探测高能电子。

巧的是,当时美国有个名为“ATIC”的气球探空项目,把气球放到南极高空观测宇宙射线。常进仔细研究后,认为气球探空项目可以观测高能电子和伽马射线。

为了说服美国人,常进36个小时没合眼,将自己所有的想法编成程序,把各种参数计算出来,终于让他们认可了自己的方法,并同意将实验数据交给他做分析。

2008年,常进一篇关于宇宙高能电子异常的文章在《自然》上发表,犹如一颗石子投入平静的湖面,激起了国内外空间暗物质观测界的波澜。论文发表第一年即被引用400多次,就连日本的暗物质探测器量能器电子望远镜也采用了常进的方法。

从找到暗物质探测的“钥匙”,到2015年底“悟空”发射成功,常进参与了载人航天、嫦娥工程,了解卫星及航天的基本知识,他还做了一颗小型的暗物质粒子探测器,搭载在实践卫星上,完成了很多技术的检验。“如果没有这十年,我们不可能只用四年就将‘悟空’送上天。”

科学家从宇宙射线能谱中得出的判断是否准确,有两个相关因素:一是累积的数据量,二是背景的干扰。数据量当然多多益善,而背景则是越低越好。

因此,常进的生活规律就是早上醒来先看前一天卫星数据的总结报告,每晚看完当天已下载数据的分析才能入眠。

“悟空”成功上天,顺利发回首批成果……在外人看来,暗物质卫星一切工作都在按计划推进,发现暗物质曙光或可期。但是,常进对此仍十分谨慎。

因为他们的对手是世界最顶尖的科学家,常进总是反复强调:我们是和世界上最厉害的一帮人竞争,我们比他们聪明?不可能。只有肯吃苦,比他们多花几倍的时间和精力,也许还有一点机会。

与此同时,常进团队还要精打细算着过日子。尽管他们通过不断攻关创新,找到了最经济适用的技术路线,但是仍然面临着许多困难。

现在,常进团队为“悟空”定下全新的“小目标”。常进说:“新的一年,卫星在继续积累高能电子、伽马射线探测数量的同时,会把分析重点放到超高能宇宙线粒子上来,力求尽快解开宇宙中的粒子加速之谜。”

在他们看来,寻找暗物质的路上,有苦,但更多的是乐趣。

它开启了中国空间科学新时代

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“悟空”号

2015年12月17日,长二丁火箭腾空而起,将暗物质粒子探测卫星“悟空”送入距地面500公里的太阳同步轨道。“悟空”号从正式立项到成功发射仅用了不到4年的时间,实现了中国天文卫星零的突破。

“悟空”号的顺利发射引发国内外广泛的关注,在“悟空”号成功发射的同时,国际著名期刊《自然》在焦点新闻栏目发表评论文章,认为“暗物质探测器开启了中国空间科学新时代”。“悟空”号还相继获得“第18
届中国国际工业博览会”创新金奖、“第46 届日内瓦国际发明展”大会金奖。

国际著名期刊《科学》杂志于2017年11月31日报道称:“中国领导的空间科学项目给出了一个诱人但是尚待确认的暗物质信号。”《科学》杂志还采访了美国科学院、美国艺术与科学院院士大卫·斯伯格尔(David
Spergel)教授,在他看来:“中国的首个空间天文卫星项目的首个观测成果表明中国正在努力成为一个空间科学强国,现在中国正在为天体物理和空间科学作出重要贡献。”

2018年在美国召开的国际空间科学大会(COSPAR
2018)新设立了一个“最新结果议程”,由大会主席、执行主席和科学日程委员会主席遴选出四个世界级科学家的报告来重点介绍国际空间科学界最近所取得的一些杰出成果。“悟空”号的成果被列为“最新结果议程”的四个报告之一,在世界各国空间科学负责人的圆桌讨论及空间科学大会开幕式之前向所有与会者介绍。

瑞典皇家科学院院士、诺贝尔物理学奖评奖委员会秘书拉瑟·贝格斯特姆(Lars
Bergstrom)教授对“悟空”号首次直接测量到电子宇宙射线能谱的拐折的成果表示了肯定。美国约翰·霍普金斯大学的著名物理学家马克·卡米恩科夫斯基(Marc
Kamionkowski)教授也高度评价这一成果,认为这是年度最令人激动的科学进展之一。

(原载于《科技日报》 2019-03-11 08版)

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