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领跑太空暗物质探测,“悟空”贡献中国智慧
2017-11-30 15:46:21 来源: 新华社
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  新华社北京11月30日电(记者喻菲 屈婷)中国暗物质粒子探测卫星“悟空”以其完美表现,证明了它是目前人类已发射到太空中的最强高能电子、伽马射线探测器,能量分辨和粒子鉴别本领达世界最高水平,尤其适合探寻来自暗物质湮灭的蛛丝马迹。

  暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说,“悟空”打开了观测高能宇宙的新窗口,展现出了新物理现象。

  2015年12月17日长征二号丁运载火箭从酒泉卫星发射中心将“悟空”送入太空。 新华社记者喻菲摄

  “悟空”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,这一成果30日发表在最新一期《自然》杂志上。

  2015年12月17日由长二丁火箭在酒泉卫星发射中心送入太空的“悟空”是中国空间科学系列卫星的首发星,它采用了中国科学家自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能电子、伽马射线的“经济适用型”观测。“悟空”的研制费用仅为其同类的美国费米卫星的1/7,国际空间站阿尔法磁谱仪2号(AMS02)的1/20。

  “悟空”表现完美

  据介绍,“悟空”上天后接受从宇宙汹涌而来的高能宇宙射线,每天收集约500万个高能粒子,数据量达16GB。目前“悟空”捕捉了35亿个高能宇宙线粒子,全天扫描了4次。

  暗物质卫星艺术构想图。 紫金山天文台提供

  2015年8月,日本将科学目标相似的量能器电子望远镜(CALET)放置在国际空间站。“悟空”在CALET之后4个月升空,目前收集到的数据量已是CALET的3至5倍,区分本底(噪音)的水平是其5倍。此外,目前“悟空”观测到的高能电子是2011年升空的AMS02的5倍以上。这表明,中国在太空探测暗物质领域已达到世界领先水平。

  悟空”的示意图。 紫金山天文台提供

  “悟空”上天一个月,紫金山天文台就运用独立开发的数据分析法绘制出了伽马射线天图。当看到这张图上的斑斑点点时,很多科研人员激动落泪,这意味着“悟空”粒子鉴别本领达到设计指标,因为同时观测带电宇宙线粒子和伽马射线,伽马射线的流量只有带电宇宙线粒子的几十万分之一,如果卫星上任何一个小探测器工作不正常,都无法得到这张图。

  常进说,“悟空”上天后表现非常完美,中国第一次做复杂的科学卫星,就被业内专家评为100分。

  “悟空”是怎样的神器?

  “悟空”仅有一张书桌大小,而它的“火眼金睛”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暗物质探测器,可以以很高的能量分辨率测量高达10TeV(相当于普通日光灯发出的能量的5万亿倍)的粒子。

  常进介绍,由于寻找暗物质需要各方面信息,暗物质卫星包含塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器四个子科学载荷,能测量高能粒子的能量、方向和电荷,并可以准确鉴别不同粒子。对于多个物理量,“悟空”都有两种独立的测量方法,测量精度高。

  “悟空”内部复杂的线路。 紫金山天文台提供

  “悟空”没有携带金箍棒,却带了300多根“水晶棒”。

  暗物质卫星系统副总设计师安琪说,位于卫星核心部位的BGO量能器包含了300多根纵横交错排列的晶体,每一根都有2厘米见方、60厘米长,是世界上最长的BGO晶体。这些“水晶棒”能够测量入射粒子的能量,并且由于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。科学家可以根据簇射形状区分质子和电子。这种方法使“悟空”得以实现卓越的鉴别粒子本领,可以从5万个质子中识别出1个电子。

  如果透视“悟空”腹内,可见密密麻麻导线,其复杂程度令人惊叹。北京正负电子对撞机上的大型粒子物理实验装置北京谱仪有4万多路电子学系统,而“悟空”有7万多路,还要放在1立方米的空间内。仅BGO量能器就有8000根电缆,在一元硬币大小的电路板上要经过16道工序,如何紧密排列使得电磁兼容性最好又不相互干扰,研制人员做了大量实验。

  为人类贡献中国智慧

  习近平在中共十九大报告中指出,要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。

  而中国首颗天文卫星“悟空”正是中国科学家瞄准暗物质探测这一世界科学前沿所研发出的创新型太空探测“利器”。习近平在两次新年贺词以及中共十九大报告中都为“悟空”点赞。

  卫星发射前,设计师们组成了DAMPE字形祝福卫星成功发射。 吉彦超摄

  1998年,常进就提出了暗物质卫星的概念,历经近20年卫星终于升入太空,并做出引领性重大突破。如今,中国科学家创造的粒子鉴别方法在日本和美国的空间探测器上也都得到应用。

  常进说,“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些特征信号,特别是能谱中的精细结构。

  常进说,探测中最关键的问题就是区分“噪音”的本领,也就是鉴别粒子的本领。“天上粒子多种多样,我们最关心的是电子和伽马射线。在TeV以上,质子流量是电子流量的1000倍,电子流量是伽马射线的数百倍。我们要把流量相差几乎100万倍的不同粒子区分清楚,还要准确测出这些粒子的能量、方向、电荷。”

  这样的难度堪比在暴风雨中分辨出燕子的呢喃。

  寻找暗物质的过程就像与幽灵捉迷藏。“天下武功唯快不破,只有仪器越灵敏才越有可能做出新发现。”常进说。

  如果将暗物质卫星比作追捕猎物所需的“好刀”,光有“好刀”还不够,还需要钻研出厉害的“刀法”。经过重重困难收集到粒子后,还要经过缜密地处理与分析,关于暗物质的秘密才有可能被揭露出来。

  自然科研中国区科学总监印格致说:“我们现在还不知道‘悟空’的探测结果意味着什么,但是这些结果出乎意料,它们有可能改变我们看待宇宙的方式。此次的成果展示了中国技术实力发展的一个里程碑。这一研究中所需的精湛技术无与伦比,未来可能会帮助中国解决其他我们现在还想不到的技术挑战。”

  测试中的暗物质卫星。 吉彦超摄

  他说,中国对于基础科学的支持不仅反映了中国正日益走近世界舞台中央的决心,同时也展示了中国对于基础科学是创新型经济发展引擎的深刻理解。

  香港大学副教授、国际高能天体物理学罗斯奖获得者苏萌说:“在人类科学进程中,很少看到东方文化的影子。作为崛起的大国,中国发展到现在这个阶段,有能力和条件为人类文明进步做出贡献,在科学探索中留下中国人的脚印,我想这是中国科学家奋斗的意义和价值所在。”

  中科院院长白春礼说,也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。(实习生曹鹏远对此文有贡献)

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