“悟空”火眼金睛探究暗物质谜团：怎样施展“神通”？

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“悟空”首席科学家常进在中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅介绍卫星工作情况。

新华社记者 金立旺 摄

在中科院紫金山天文台,“悟空”首席科学家常进(中)和他的团队。新华社记者 金立旺 摄

刊发在《自然》杂志上的“悟空”高精度电子能谱,在1.4TeV附近出现剧烈波动。(资料图片)

在宇宙中,有什么比引力波还难找?如果把这个问题抛给物理学家,答案一定是暗物质和暗能量。它们产生的万有引力左右着宇宙演化和物质运动,却至今难觅踪迹,被称作“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。

暗能量离我们还很遥远,暗物质却有望在不久的将来被揭开神秘面纱。在各国争相投入研究的情况下,我国也于2015年12月17日发射了世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最高的暗物质粒子探测卫星“悟空”。在轨运行两年多来,“悟空”不辱使命,搜寻出100多个异常电子,并直接测量到了电子宇宙射线能谱的一处拐折。这些讯号让暗物质研究更进了一步。

习近平总书记近日在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上发表重要讲话指出,“悟空、墨子、慧眼、碳卫星等系列科学实验卫星成功发射,500米口径球面射电望远镜、上海光源、全超导托卡马克核聚变装置等重大科研基础设施为我国开展世界级科学研究奠定了重要物质技术基础。”

科技创新大潮澎湃,千帆竞发勇进者胜。近日,记者采访中科院紫金山天文台“悟空”研究团队,探寻他们的研究成果。

驱散“乌云”:如何寻找暗物质?

当我们仰望星空时,除了太阳、月亮、星星外,感觉宇宙空荡荡的。然而,这很可能是一种错觉——早在20世纪初,多位科学家相继提出,宇宙中存在发光很弱或者不发光的暗物质。

现代天文学家通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、宇宙膨胀行为的研究表明,宇宙的密度由约4.9%的普通物质,26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。也就是说,我们能看到的普通物质在整个宇宙中只占不到5%,剩下95.1%的组成部分,我们都看不到。

暗物质属性奇特,对人类而言,它们以一种看不见摸不着的状态存在。

这里所说的“看不见”,不单单是指用人类的肉眼在可见光波段看不见,而是不论探测什么波段的电磁波,比如无线电、红外线、紫外线、X射线等,都看不到它。由于暗物质既不发光,也不参与电磁作用,人们目前只能通过引力产生的效应感受到它的存在,但一直还没有确凿的证据。

如此神秘而又重要的存在,让暗物质成为现代天文学和物理学的一大谜团。对其物理本质的研究必将带来基础物理学的重大突破,产生科学技术的革命。

“暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进介绍,通过天文观测,科学家推断暗物质有两个重要特征,一是其很可能是一种新的重粒子,二是其自身和普通物质之间可能有微弱的相互作用。这就可以有针对性地设计实验探测暗物质。

据了解,各国科研团队主要采用三种方法寻找暗物质:

第一种是利用粒子对撞设备,看能否在实验中产生暗物质。这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。

第二种是在很深的地下挖个隧道,屏蔽地表宇宙射线的影响,捕捉暗物质粒子和普通原子核的碰撞。位于我国四川南部地底深处的锦屏地下实验室就是全球最深的暗物质探测实验室,于2010年投入使用。由清华大学主导的暗物质实验合作组利用一种国际首创的高纯锗探测系统,在一定范围内将暗物质直接探测灵敏度提高到目前国际最高水平。

第三种是在太空中观测暗物质粒子湮灭或衰变的产物。比如多国合作的阿尔法磁谱仪实验和我国的“悟空”暗物质粒子探测卫星采用的是这种观测方式。

根据目前理论物理学家的解释,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,产生高能电子,那么到太空去精确地探测高能电子能谱,就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。常进表示,“悟空”本质上是一个高能粒子探测器。因为大气层的阻挡,在地面探测这些高能量的粒子比较困难,就将仪器发射到太空去。

大海捞针:“悟空”怎样施展“神通”?

“暗物质粒子产生的信号很微弱,所以需要高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低成本的高能粒子望远镜。”常进说,“悟空”正是瞄准这个方向研制的。

资料显示,“悟空”的长宽高分别只有1.5米、1.5米、1.2米,跟一张办公桌差不多体积,比记者预想小很多。

“它体积虽小,‘武艺’却十分高强。”暗物质粒子探测卫星工程总师艾长春介绍,“悟空”由4个科学探测有效载荷组成,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,可以高精度地测量入射粒子的种类、方向、能量和电荷。

借助探测器的“火眼金睛”,“悟空”的动态探测范围可达100万倍。“如果把‘悟空’比作人的眼睛,相当于既能看到一个两米高的篮球运动员,又能看到运动员体内的血小板。”常进说。

自2015年底发射升空以来,“悟空”一直在500公里太阳同步轨道上运行。在最初的两年里,它采用巡天观测模式,从各个方向扫描太空。目前,它正根据全天区探测的结果,对暗物质最可能被观察到的区域进行定向观测。

“‘悟空’升空以来,每天绕地球飞行15圈,平均每秒钟获得60个高能粒子,每天获得500万个高能粒子。”常进表示,从发射到现在,卫星工作十分稳定,数据质量优异。

然而,寻找“异常”与“可能”绝非易事。两年多来,“悟空”探测了35亿多个高能宇宙射线,从中仅搜寻出100多个异常电子,难度不亚于大海捞针。“就好比在有上千万人口的城市里找到特定的一个人,既要快,又要准。”常进说。

目前国际上知名的相关研究项目有美国费米卫星,日本量能器型电子望远镜,以及著名物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪等。“天上的辐射背景太复杂,需要进行区分。”“悟空”科学应用系统副总师范一中说,与国际同类探测设备相比,“悟空”显著提高了电子能量观测的上限,得到的电子样本“纯净”程度也最高,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的信号。这是中国科研人员自主提出的新探测技术,实现了对高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。

除了暗物质探测的目标,“悟空”卫星的数据还可以广

泛用于宇宙射线和高能天体物理的研究,为我们理解宇宙中极端条件天体和激烈活动现象等提供帮助。

勇闯“无人区”:在不断探索中前行

去年12月7日,根据前530天的观测数据,“悟空”的首批科学成果在《自然》杂志正式发表。“悟空”在轨运行期间,共采集了约28亿个高能粒子。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上最精确的高能电子宇宙线能谱,引起了学术界的高度关注。

“如果暗物质湮灭产生电子、伽马射线,那么它们的能量不能超过暗物质的质量。因此在暗物质质量以上的能段,电子或伽马射线的流量会突然减少,在能谱上表现为尖锐的拐折。现在‘悟空’的确在电子宇宙射线能谱中发现了一个拐折,尽管其最终物理起源还需要深入研究。”范一中解释说。

这是“悟空”首次探测到的一个非常尖锐的能谱结构。初步数据显示,宇宙射线高能电子约在1.4TeV(万亿电子伏特)附近呈现出尖锐的结构,可能与暗物质粒子湮灭有关。

常进认为,正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线,但根据观测数据,这里突然出现了一处剧烈波动,划出一个“尖峰”,意味着此处有“古怪”。

因为数据量不够,目前这个“尖锐”的电子能谱结构没有被确认,现在回答这是否是暗物质为时尚早。“我们是‘靠天吃饭’,天上有多少宇宙射线,我们才能测到多少事例。”常进说,要降低统计误差,唯一办法是积累大量数据,这需要更多时间。

中科院院长白春礼认为,如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项划时代意义的科学成果,即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。

“悟空”对暗物质的探寻,正逐渐进入科学的“无人区”。但在“无人区”做一个“领跑者”,不是件容易的事。

从卫星设计、测试起,以常进为首的“悟空”研究团队不断吸引国内外科研人员加入,目前已经形成了来自中国、瑞士、意大利等国,人数超过100名的多学科顶尖人才团队。

目前,“悟空”在轨运行状况优异,预计会大大超过设计寿命。今后两三年将是卫星数据分析的关键时期,收集到目标事例越来越多,绘制的能谱越来越精确。预计今年年底将发布“悟空”的第二批科研成果。

“对科学的追求,是人类社会不断进步的主要动力。”常进说,暗物质的作用我们现在无从得知,但寻找暗物质的工作每天都在影响他和他的团队成员。也许再过100年,人类日常生活都离不开暗物质突破后产生的新的理论。(本报记者 姜永斌)
  
本文选自：今日头条
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用能谱观测暗物质湮灭时产生的特殊谱线，悟空的观测到的暗物质数量结果与理论不符合吧，直观感觉似乎暗物质数量太少了。