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仰望星空的奋斗者探寻来自暗物质的蛛丝马迹

来源:人民日报2021-05-07 09:41

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  在我们身边,每时每刻都有无数暗物质粒子穿越人体和其他物质,看不见摸不着。宇宙中约分布着27%的暗物质和68%的暗能量,人类所感知的浩瀚星海,只占剩下5%。隐藏宇宙是什么模样?

  一群仰望星空的年轻人,探寻来自暗物质的蛛丝马迹

  距离地球500公里的轨道上,我国第一颗天文卫星“悟空”号以日行65万公里的速度,“捕捉”着四面八方的宇宙射线。在中科院紫金山天文台,有一群仰望星空的年轻人,日夜兼程“破译”蕴藏在宇宙射线中的密码,探寻来自暗物质的蛛丝马迹。

  “科学家主要有三种方法探测暗物质:利用加速器,将暗物质粒子‘创造’出来;在地下布好‘靶子’,等暗物质粒子撞击留下可见粒子的影子;到茫茫太空中,‘捕捉’暗物质粒子湮灭或衰变后的痕迹。”“90后”特别研究助理岳川介绍,“悟空”采用的是第三种方法。

  2015年12月16日晚上8点,酒泉卫星发射中心,距卫星发射还有12小时,火箭燃料已加注完毕。当年33岁的副研究员胡一鸣登上发射塔架,开始最后几小时的星箭维护。“心里特别紧张,又特别激动!”他这样形容当时的心情。

  本打算到现场观看发射的载荷工程师陈灯意,临时接到指令,进行发射前的载荷监控。在卫星内部,4个载荷从上到下组装在1立方米的空间中,如同一个4层的银色蛋糕。眼前的监测屏幕上,数据平稳闪动着。

  “载荷正常!”“卫星正常!”“3、2、1,发射!”

  13分钟过去,卫星张开“翅膀”,开始接收太阳辐射——发射成功了!看不到发射现场的盛况,听不到指挥大厅的掌声,但他知道许多人都在等待这一刻,眼泪禁不住地往下流。

  要想看得更清楚,必须到太空去探测

  宇宙高能粒子穿透性强,被探测器的载荷“打碎”成大量次级低能粒子,才能被“拦截”下来观测。载荷“蛋糕”第三层的BGO量能器,有308根60厘米长、2.5厘米宽和高的晶体,可将粒子转换成荧光光子进行测量——这是“悟空”的一项看家本领。

  “套筒要制得笔直,光电倍增器要装得精确,两根头发丝的误差就可能导致失败。”陈灯意透露团队的秘诀:首先要大胆创新,他们首次尝试用碳纤维材料减重,让载荷比高达1∶9;又得细心缜密,晶体脆弱易碎,只能一次集成,没有纠错的机会;还得考验毅力,小组从早上9点工作到凌晨两点,一干就是一个月。

  对胡一鸣来说,除了发射成功,另一个幸福时刻出现在2014年。欧洲核子中心宣布,第一次将中国卫星束流试验项目纳入认证名录。

  紫金山天文台研究员、暗物质卫星首席科学家常进院士,早在2008年就曾参与南极气球项目,研究空间探测高能宇宙射线粒子。但气球飞得再高也还在大气层里,高能粒子与大气碰撞就会产生大量“噪音”。要想看得更清楚,必须到太空去探测。

  2011年,暗物质粒子探测卫星正式立项。胡一鸣在常进的带领下,参与了4次束流试验。这是“悟空”上天前的大考。团队将等比例缩小的原理样机运往欧洲,在极其有限的时间窗口内,通过争分夺秒的数据测算,考察探测器的可靠性与灵敏度。

  “那个中秋节期间,我们72小时不眠不休坚守试验现场,完成了一系列高能粒子束流标定,显示探测器技术指标达到国际先进水平。”胡一鸣回忆,标定成功后,大家累得倒头睡了两天两夜。

  坚守初心、奋斗进取,年轻的他们使命在肩

  “悟空”上天后,每天传送回500万个粒子信息。其中,暗物质的“候选者”电子不到千分之一。而且,“悟空”有7万多路电子学信号通道,这个“沙里淘金”的过程,如同“7万多个盲人在摸象”。

  岳川介绍,如此庞杂的“翻译”过程,靠人海战术远远不够,需要开发软件来实现自动化、批量化完成——首先把二进制信号转换成可读信息,将每个“盲人”的感觉统一标准,然后将大家摸到的部分拼凑到一起,构建出粒子的模样,最后挑选出仅占千分之一的高能电子。

  为了提高准确率,分析软件已修改了约8900次。“团队成员来自天文、物理、工程等不同领域,‘翻译’成什么形式、如何表述、怎样存取,每次都要激烈讨论。”副研究员李翔说,一次次交流碰撞中,方案优化完善逐渐形成。

  日复一日的“解码”,让团队有了新发现——电子宇宙线在1.4万亿电子伏特的超高能谱段突然出现剧烈波动,呈现一个疑似尖峰。“如果该结构最终被证实,则表明此处有一个全新的物理现象。”李翔解释,虽然还无法断定这就是暗物质踪迹,但可能是离暗物质最近的重要迹象。

  借助“悟空”的火眼金睛,团队还绘制出伽马射线天图,搜寻可能深藏的暗物质踪影。“盯牢‘悟空’的同时,我们也在准备着下一代暗物质粒子探测卫星的研制。”胡一鸣说。

  今年,平均年龄不足35周岁的“悟空”号卫星载荷与科学团队荣获“中国青年五四奖章集体”。坚守初心、奋斗进取,年轻的他们使命在肩。

  暗物质和暗能量未来能给人类带来什么,是现在所无法想象的。拨开“27%”的面纱、探索隐藏宇宙的奥秘,这支青春的队伍步履不停、勇往直前。(姚雪青)

[ 责编:张蕃 ]
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