正在阅读: “悟空”号卫星: 拨开暗物质的“乌云”
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

“悟空”号卫星: 拨开暗物质的“乌云”

来源:科技日报2019-03-11 08:57

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

暗物质粒子探测卫星“悟空”

  “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。

  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。

  看不见摸不着却与我们息息相关

  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。

  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。(记者张晔)

[ 责编:赵清建 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平考察新县田铺乡田铺大塆

独家策划

推荐阅读
CAR-T细胞疗法是一种迅速兴起的免疫疗法,能利用患者自身的细胞治疗某些类型的癌症,而对于另一种危及生命的疾病——心脏病,该疗法可能是一种可行的治疗选择。
2019-09-17 09:18
自1921年在肯尼亚发现非洲猪瘟以来,科学家从未停止对疫苗的研制。然而,时至今日,还没有可以商业化生产和使用的非洲猪瘟疫苗。
2019-09-17 09:17
近日,印度“月船二号”探测器着陆月球失利的消息在朋友圈刷屏。来自系外的岩石类天体,在速度很快的情况下,撞击月表所产生的形变,和来自系内小天体撞击月表所产生的形变是不一样的。
2019-09-17 09:16
近日,一颗失控的高速恒星进入了科学家的视野。为了准确获得PG 1610+062被投射时的旋转速度、径向速度及其化学成分,研究团队需要获得恒星的光谱数据。
2019-09-17 09:16
近日,记者从中国科学院云南天文台获悉,该台与丹麦科学家合作,深入研究某些可能被忽略的物理过程对太阳结构演化模型的影响,基本解决了长期困扰国际恒星物理界的太阳丰度问题。
2019-09-17 09:15
近日,国际天文学家团队通过南非射电天文观测台(SARAO)的MeerKAT射电望远镜阵列,观测到银河系中心存在两个呈沙漏状、高度达数百光年的射电“气泡”。
2019-09-17 09:15
近日,位于澳大利亚的雅拉布巴陨石坑吸引了科学家的目光。这个源于22.29亿年前的陨石撞击坑,很有可能埋藏着宇宙生命诞生的秘密。
2019-09-17 09:14
伴随社会老龄化趋势的加速、重大疾病发病率攀升,临床对医疗检查的质量及覆盖领域要求更高。
2019-09-17 09:12
近日,由中国汽车技术研究中心有限公司主办的“自动驾驶安全与产业发展研讨会”在北京举行。会议上发布的《中国自动驾驶安全读本》认为,自动驾驶有望显著减少人为因素导致的道路交通事故,促进道路交通安全水平提升。
2019-09-17 09:11
人们多半也无法想象,餐厅里的美食是AI“炼”成的,新鲜的食材被机器大厨烹煮煎炒,出锅后由机器人送到餐桌上;此外,还有自动驾驶、人脸识别、AR试妆试衣……
2019-09-17 09:11
中国信息安全测评中心总工程师王军表示,我国网络空间形势总体向好:网络安全法律体系不断健全,网络安全管理体制机制不断完善,网络安全防护水平和应急处置能力不断提升。
2019-09-17 09:10
2019世界计算机大会近日在“银河”“天河”超算之乡湖南长沙举行,来自全球的计算机“大咖”共话计算机技术和产业的未来。
2019-09-17 09:09
在刚刚过去的中秋节,火龙果月饼、藤椒牛肉月饼等挑战味蕾的奇物层出不穷,其中一款仿制老上海鲜肉月饼的素肉月饼脱颖而出,上线的1000份很快被一扫而空。这款月饼被很多人称为“人造肉”月饼,着实在人造肉的风口上火了一把。
2019-09-17 09:08
美国哥伦比亚大学遗传学家杰拉德·卡森迪说,骨骼不只是身体的僵硬支架,其还能分泌骨钙蛋白。
2019-09-17 09:07
前不久,俄罗斯最大电信运营商移动通信公司MTS,使用中国华为的5G移动网络技术,在俄罗斯圣彼得堡州喀琅施塔得市启动了5G移动通信网络,这是俄罗斯建成的第一个5G移动网络城市。
2019-09-17 09:07
中美科学家近日报告说,他们研制出了一种比之前最黑材料还要黑10倍的材料。新材料由碳纳米管(CNT)阵列制成,可捕获99.995%的入射光,是迄今为止最黑的材料。
2019-09-17 09:06
本次活动由中国科协企业创新服务中心支持,北京市科学技术协会主办,北京科技社团服务中心指导,中关村天合科技成果转化促进中心、中关村融智特种机器人产业联盟、中关村产业技术联盟联合会联合承办。
2019-09-16 21:09
两滴仿生修补液,能让缺损牙齿表面“长”出与天然牙釉质几乎一致的修复层。论文通讯作者、浙大化学系刘昭明博士说,理想的修复方法,应该是材料、结构、力学性能三者的统一,而且能实现原位修复。
2019-09-16 09:28
横纹肌溶解综合征多伴有急性肾功能衰竭及代谢紊乱,发病原因非常复杂。在张鹏看来,横纹肌溶解最常导致的机体不良后果是急性肾功能障碍、电解质紊乱、代谢性酸中毒、休克及急性肝功能障碍。
2019-09-16 09:27
骨骼、标本、化石、VR设备、各种各样的动物模型……这里是中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)副研究员卢静的办公室。这里面积不大,但每个角落都有惊喜,像个微型博物馆。
2019-09-16 09:26
加载更多