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“悟空”號(hào)效率是“同行”至少10倍 將延期服役2年
關(guān)鍵字: 悟空號(hào)衛(wèi)星視頻:“悟空”號(hào)探測(cè)器究竟“看”到了什么?科學(xué)家為你講解來(lái)源:中國(guó)新聞網(wǎng)
“悟空”號(hào)衛(wèi)星: 撥開(kāi)暗物質(zhì)的“烏云”
“過(guò)去的一年,那只‘猴子’沒(méi)有讓我們失望?!贝汗?jié)后,記者來(lái)到中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái),該臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地說(shuō)。
當(dāng)全國(guó)上下都在慶祝新春佳節(jié)時(shí),天上那只“猴子”依舊奔跑在500公里高的太陽(yáng)同步軌道上,忙忙碌碌。
截至2018年年底,中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研制的我國(guó)第一顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)已繞地球飛行了16597圈,探測(cè)宇宙射線(xiàn)粒子55億個(gè)。
在相同時(shí)間內(nèi),它積累的TeV(1TeV=1萬(wàn)億電子伏特)以上的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)于國(guó)際空間站上的日本量能器電子望遠(yuǎn)鏡和阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)的5倍以上,意味著完成了其他“同行”至少10年的工作量?;谶@些數(shù)據(jù),科研人員成功獲取了目前國(guó)際上精度最高的電子宇宙射線(xiàn)探測(cè)結(jié)果。
看不見(jiàn)摸不著卻與我們息息相關(guān)
20世紀(jì)30年代,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以把星系連成一片,構(gòu)成星系團(tuán),如果不是存在一種神秘而不可見(jiàn)的物質(zhì),星系團(tuán)早就分崩離析??茖W(xué)家把這種看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)稱(chēng)為“暗物質(zhì)”。
到了20世紀(jì)70年代,多種天文觀(guān)測(cè)結(jié)果都暗示著暗物質(zhì)的存在。但直到現(xiàn)在還沒(méi)有確切的暗物質(zhì)信號(hào)被探測(cè)到。
雖然科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)究竟由什么構(gòu)成,但通過(guò)觀(guān)測(cè)它如何影響普通物質(zhì),并模擬它的引力效應(yīng),還是對(duì)它有了一些了解。
宇宙中95%以上是暗物質(zhì)和暗能量,其中暗物質(zhì)占26.8%。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用,它無(wú)法用任何光學(xué)或電磁波觀(guān)測(cè)設(shè)備直接“看”到。暗物質(zhì)運(yùn)行速度很快??茖W(xué)家測(cè)算,暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度為每秒220千米,是56式半自動(dòng)步槍子彈出膛速度的300倍。
科學(xué)家推測(cè)暗物質(zhì)產(chǎn)生于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個(gè)時(shí)刻,宇宙溫度非常高,粒子能量非常大,它們劇烈碰撞,產(chǎn)生包括暗物質(zhì)在內(nèi)的各種各樣的物質(zhì)。
宇宙的結(jié)構(gòu)也與暗物質(zhì)有關(guān)。它是促使宇宙中的普通物質(zhì)在自身引力下形成特定結(jié)構(gòu)的重要推手。暗物質(zhì)播下了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)的種子,隨后可見(jiàn)物質(zhì)才聚集在一些由暗物質(zhì)建立起來(lái)的引力“核”上,并最終形成了星系。
暗物質(zhì)對(duì)生命來(lái)說(shuō)更是至關(guān)重要。假如沒(méi)有暗物質(zhì)的引力作用,我們所在的銀河系將很可能無(wú)法在宇宙大爆炸后的膨脹過(guò)程中形成。
暗物質(zhì)這么神秘,我們投入這么多人力物力去尋找它,那么它究竟有什么應(yīng)用價(jià)值呢?
“當(dāng)年,愛(ài)因斯坦也想不到量子力學(xué)和相對(duì)論有什么應(yīng)用價(jià)值,但是今天我們每個(gè)人用到的手機(jī)等通訊設(shè)備,哪一個(gè)離得開(kāi)這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)?”常進(jìn)說(shuō)道。
帶著“水晶棒”的銀白色美猴王
2015年12月17日8時(shí)12分,我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。這標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)研究邁出了重要一步。
“這是中國(guó)科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠(yuǎn)鏡,”常進(jìn)說(shuō),“它有望深刻地變革人類(lèi)的宇宙觀(guān),實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破?!?
“悟空”的身材比一般的衛(wèi)星小巧,“三圍”分別為1.5米、1.5米、1.2米,像盒銀白色的方形蛋糕?!拔蚩铡痹谔罩薪邮諄?lái)自宇宙的高能原子核、電子和伽馬射線(xiàn)的信號(hào),它是世界上迄今為止觀(guān)測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器。
中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)介紹說(shuō),目前國(guó)際上最著名的三個(gè)暗物質(zhì)探測(cè)器分別是美國(guó)費(fèi)米衛(wèi)星、阿爾法磁譜儀AMS-02和我國(guó)的“悟空”。三者各有特色,AMS-02可以區(qū)分正反物質(zhì),費(fèi)米的探測(cè)器面積大,而我們的探測(cè)器分辨率最高。
常進(jìn)說(shuō),“悟空”在觀(guān)測(cè)能段范圍、能量分辨率、粒子鑒別本領(lǐng)等方面優(yōu)于別的探測(cè)器,其觀(guān)測(cè)能段是阿爾法磁譜儀的10倍,能量分辨率比國(guó)際同類(lèi)探測(cè)器高3倍以上。而費(fèi)用只有1億美元,分別是美國(guó)費(fèi)米、AMS-02的1/7和1/20。
以《西游記》中的美猴王名字命名的衛(wèi)星“悟空”,沒(méi)有攜帶金箍棒,卻帶了300多根“水晶棒”。
位于衛(wèi)星核心部位的BGO能量器包含了308根縱橫交錯(cuò)的晶體,每一根都有2.5厘米見(jiàn)方、60厘米長(zhǎng),是世界上最長(zhǎng)的BGO晶體。
這些漂亮的“水晶棒”能夠測(cè)量入射粒子的能量。電子和質(zhì)子與晶體發(fā)生相互作用,產(chǎn)生類(lèi)似淋浴噴水形狀的簇射,而電子和質(zhì)子產(chǎn)生的簇射形狀不同,因而科學(xué)家可以區(qū)分出質(zhì)子和電子。
“年富力強(qiáng)”并將繼續(xù)在太空服役
每天清晨和傍晚,“悟空”都會(huì)路過(guò)中國(guó)上空。位于密云、喀什、三亞的三個(gè)數(shù)據(jù)接收站,每天接收它回傳的約16G數(shù)據(jù)。而常進(jìn)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就是要從日積月累的海量數(shù)據(jù)中分析出有價(jià)值的科學(xué)成果。
而在一年多前,常進(jìn)團(tuán)隊(duì)就已向世界展示出首批成果:精確測(cè)量太空中的電子宇宙射線(xiàn)能譜。該成果于2017年12月7日在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
電子宇宙射線(xiàn)的正常能譜變化應(yīng)是一條平滑曲線(xiàn)。根據(jù)“悟空”積累的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在0.9萬(wàn)億電子伏特處電子能譜呈現(xiàn)出明顯的拐折,并且有初步跡象表明在1.4萬(wàn)億電子伏特的超高能段呈現(xiàn)出異常波動(dòng),反映在圖上是一個(gè)“尖峰”。
這些結(jié)構(gòu)只有在觀(guān)測(cè)精度達(dá)到最好的情況下才能被看到,幸運(yùn)的是,“悟空”做到了!電子能譜在0.9萬(wàn)億電子伏特處的拐折具有重要的天體物理意義,它反映出宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力,并且可以對(duì)部分暗物質(zhì)理論模型給出很強(qiáng)的約束。1.4萬(wàn)億電子伏特處的異常波動(dòng)則顯得更引人關(guān)注。不過(guò),根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)量和理論模型,還無(wú)法斷定這一現(xiàn)象是否就是暗物質(zhì)蹤跡。
袁強(qiáng)告訴記者,探測(cè)暗物質(zhì)的方式主要分為三類(lèi):一是對(duì)撞機(jī)探測(cè),主要有歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī);二是在地下進(jìn)行的直接探測(cè),我國(guó)在四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室中正在開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn);三是間接探測(cè),主要在空間進(jìn)行。
“悟空”衛(wèi)星就是采用第三種方式。物理學(xué)家們認(rèn)為,暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)產(chǎn)生高能粒子,如伽馬射線(xiàn)、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子等。暗物質(zhì)衛(wèi)星就是精確探測(cè)這些粒子,通過(guò)其能譜、空間分布來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
“悟空”設(shè)計(jì)壽命為3年,目前已經(jīng)到期,但它看起來(lái)依舊“年富力強(qiáng)”?!敖?jīng)過(guò)評(píng)估,我們認(rèn)為‘悟空’還可以繼續(xù)在太空服役,現(xiàn)在已經(jīng)被批準(zhǔn)延長(zhǎng)2年工作時(shí)間?!痹瑥?qiáng)說(shuō)道。
(本報(bào)記者 張 曄)
- 原標(biāo)題:“悟空”號(hào)效率是“同行”至少10倍 將延期服役2年
- 責(zé)任編輯:李丕
- 最后更新: 2019-03-11 07:07:42
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