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“低调”的暗物质,中国科学家要看看你究竟

“低调”的暗物质,中国科学家要看看你究竟
  暗物质粒子探测卫星12月17日在甘肃酒泉发射升空。它承载着全球科学家,特别是物理学科学家的厚望。

  暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一,目前世界多国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。美国国家研究委员会的、由19名权威物理学家和天文学家联合执笔的2002年的报告中,列出幸运28了新世纪要解答的11个科学问题,其中“什么是暗物质”被列在首位;在中国科学院制定的创新2050规划路线图中,暗物质和暗能量探索被列为可能出现革命性突破的基本科学问题的第一位 。暗物质和暗能量被认为是笼罩着21世纪物理学的两朵新的乌云,对它们的研究很可能会带来科学上的新突破。

  有关探测暗物质的卫星,中国并不是世界上第一个发射的。那么中国为什么要发射暗物质粒子探测卫星?中国的这颗被命名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星有哪些创新点?就此,记者采访了研制暗物质粒子探测卫星的相关科学家。

  暗物质不发光,不发出电磁波,从来没有被直接“看”到过。根据最新天文观测结果,宇宙是由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成的。对于神秘的暗物质,科学家迫切想知道它到底是什么。

  暗物质探测卫星是基于暗物质粒子湮灭或衰变的假设,即暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对,这些粒子对在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分。暗物质探测卫星就是收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子,通过分析其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

  在中国的暗物质探测卫星升空之前,中国科学家曾做过暗物质的探测。暗物质粒子探测卫星首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进以前曾经研制过一个小的探测器,搭载在美国的一个长期停留在大气层上空的气球上,做了两个月的实验。在实验中,探测器观测到在高能谱段有一些奇怪的现象发生,科学家推测有可能就是暗物质碰撞产生了明物质,分布在非常高的谱段。常进说,要想观测到高能谱段,就必须发射卫星,探测器要更大,才能看得更加清楚;而在太空中,受到的干扰最小,卫星飞行两到三年,能够累积很多数据,就能看到能量谱是不是按通常理解的方式分布的,判断暗物质是否存在。

  我们不能总是采用别人的数据做科学分析,也不能总是依靠搭载别人的卫星做我们想做的科学实验。“中国第一颗人造地球卫星——东方红一号发射已有45年,但到目前为止,中国的空间科学卫星还未成系列。”空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季说,相比之下,美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家都做了大量以科学为目标的空间探索。作为一个航天大国,中国还没有自己的科学卫星系列。要想向航天强国转变,就不能没有空间科学卫星系列。我们现在提出创新幸运28驱动发展,就不能总是跟在别人的后面走。

  17日顺利升空的暗物质粒子探测卫星是我国第一颗由中科院自主研究、生产的卫星。同以前的卫星和国际同类卫星相比,它具有创新性。

  首先,这颗卫星的结构不同于以往我国发射的卫星,它是以载荷为中心的一体化结构设计。中国科技大学教授、暗物质探测卫星副总设计师安琦说,以往卫星都是设计一个平台,相当于一个容器,然后把有效载荷置于其中,这时的有效载荷只能委曲地适应容器。而暗物质卫星的设计是以载荷(探测器)为中心,先把有效载荷集中安置好,再把卫星的其他部分见缝插针地“镶嵌”在有效载荷的边上。这种设计使得有效载荷达到1410公斤,平台仅为440公斤,二者达到了3.2∶1。这种载荷比在世界上都是极高的。

  其次,它是目前世界上观测能段范围最宽、空间和能量分辨率世界领先的高能粒子探测器。据常进介绍,暗物质粒子探测器属于大型空间高能观测设备,它可以精确测量宇宙高能粒子(电子、伽玛、宇宙射线核素等)的物理特征和空间分布。卫星主要由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能探测器和中子探测器四大科学探测有效载荷组成。其观测能段范围覆盖0.5GeV—10TeV,能量分辨优于1.5%,超过国际上所有同类探测器。它的能段是国际“阿尔法磁谱仪”实验的10倍,探测器能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。

  (原载于《科技日报》 2015-12-18 01版)