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十问“悟空”为什么能?

发表时间:2018-02-15 04:51:06  来源:  浏览:次   【】【】【

  原标题:十问“悟空”为什么能?——专访暗物质粒子探测卫星首席科学家常进

暗物质卫星工程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(2015年12月24日摄)。

  暗物质卫星工程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(2015年12月24日摄)。

  新华社南京11月30日电(记者王珏玢、蔡玉高、蒋芳)30日,中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批重要科学成果向国际社会公布。作为中国发射的首颗天文卫星,被大家寄予厚望的“悟空”出手不凡,不到两年的观测便有一批重大成果公布,或有望揭开暗物质的神秘面纱。

搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空(2015年12月17日摄)。

搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空(2015年12月17日摄)。

  “悟空”寻找的暗物质究竟是何方神圣?卫星到底看到了什么?解开暗物质之谜跟人类有什么关系?就这些公众关心的问题,暗物质粒子探测卫星首席科学家常进接受了新华社记者的专访。

  一问:“悟空”究竟看到了什么?

  答:这次我们公布的首批重大成果,是“悟空”上天近两年内观测到的高能电子数据。最令我们兴奋的一项发现是在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处,发现了一簇明显高于平滑能谱结构的高能电子。这样的高能电子源,已经突破了常规物理模型可以解释的范围,这有可能是暗物质湮灭留下的证据。

  二问:暗物质是什么?人类目前对暗物质有哪些了解?

  答:暗物质(Dark Matter)是天文学家为了解释宇宙中引力质量远大于发光物质质量的疑难,而引入的一类新物质。它大约占宇宙质量的27%,而普通物质只占5%。暗物质不发射、吸收、散射光子,也不参与电磁作用,它究竟是什么,目前还很神秘。

  通俗点来说,你可以把它想象成把星系粘合在一起的“胶水”。你知道它就在那里,但不知道它是什么,也正因为它神秘又非常重要,暗物质也被称为“21世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云”之一。

  三问:既然暗物质“看不见”、“测不着”,“悟空”怎样抓住这样的“宇宙幽灵”呢?

  答:暗物质本身不发射、吸收或散射光子,但是暗物质粒子相互湮灭或者自身衰变,可以产生一些稳定的可观测粒子,譬如伽马射线、宇宙射线、中微子等。“悟空”的设计原理,就是要在太空中高精度测量伽马射线、宇宙射线的能谱以及空间分布,来寻找暗物质粒子存在的证据。这也是目前国际上探测暗物质粒子的主要途径之一。

  四问:与其他暗物质探测器相比,“悟空”有什么绝技?

  答:空间卫星承担寻找暗物质证据的任务,国际已有先例,比如阿尔法磁谱仪、费米卫星等。与国际上同类型设备相比,“悟空”有3个特点:工作能段高,能量分辨率高,鉴别粒子本领强。“悟空”的探测极限,可以达到可见光光子能量的10万亿倍,这意味着,它兼具“看得远”和“看得准”两个优点。

  五问:为什么找暗物质需要“上天”?

  答:暗物质粒子湮灭或者衰变产生的宇宙射线粒子或者高能伽马射线不能穿透地球大气,会被吸收掉,所以我们决定让“悟空”上天。

  六问:“悟空”上天都做些什么?

  答:“悟空”上天的核心工作是“挖宝”!具体来讲,就是在一堆宇宙高能粒子中用“火眼金睛”找出跟暗物质相关的高能电子和伽马射线。在宇宙空间里,质子占所有高能粒子总数的90%左右,电子大约占质子的一千分之一,伽马射线只占一百万分之一,这真是“沙里淘金”啊。

  七问:“悟空”背后的“师傅”们,都做哪些工作?

  答:一个“悟空”在天上飞,一整个团队在地上天天追。我们有监控人员,相当于“队医”,每天给卫星体检,监测运转情况;有数据处理人员,经过科学分析程序,记录有用粒子的各种信息;还有科学分析人员,要分析解释“悟空”收集到的数据意味着什么。整个团队科研人员各司其职,互相配合。

  八问:从目前看,“悟空”运行状态如何?

  答:“悟空”在轨运行良好,塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器、硅径迹探测器正常工作率全部高于99.2%,平均水平达到99.5%,大幅度优于原定97.5%的原定指标。星上的故障备份设备目前无一采用。我们期望“悟空”能超越3年的设计寿命,能为我们“捉妖”5至10年。

  九问:下一步对“悟空”观测有什么期待?

  答:再过1至3年,预期“悟空”在我们最为期待的1.4万亿电子伏特能量处观测电子数将积累到150-200个,那时结论会更确定。无论这些电子来源于哪里,都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。而一旦国际科学界进一步研究确认其暗物质起源,人类就可以根据“悟空”的探测结果获知暗物质粒子的质量、湮灭率,以及太阳系附近的暗物质团块分布特征,这些都是前人无法想象的成就。

  十问:设想“悟空”取到了“真经”,暗物质发现对人类有什么用?

  答:基础科学的关键性突破会对世界和人类生活产生颠覆性的影响,但这种影响需要耐心等待。爱因斯坦100多年前发表相对论,彻底改变了现代人类对宇宙的认知;我们现在广泛使用的万维网就是由粒子物理学家首先发明的。暗物质的作用我们现在无从得知,但是现在,寻找暗物质的工作已经在天天影响我和我的团队成员,100年后,也许人类子孙后代的日常生活都离不开对暗物质性质的发掘和利用。

责任编辑:张岩

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