作者:常进等 来源:《自然》 发布时间:2017/11/30 14:41:16
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“悟空”抓到了什么“妖魔鬼怪”?
暗物质卫星捕获一条世界上最精确高能电子宇宙射线能谱

 

常进盯着电脑屏幕上一条红色的曲线,不敢相信自己的眼睛。

一种矛盾又复杂的心情,在这位暗物质粒子探测卫星首席科学家心中涌起:这条奇怪的线,究竟是重大发现的苗头,还是我们的卫星没有把数据测准?

一年后,常进悬着的心才放下。2017年11月30日,英国《自然》杂志在线发表了暗物质卫星“悟空”获得的一条世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱,人类观察宇宙的窗口再次被拓宽。

走进“无人区”

根据人类已知的物理规律,来自宇宙空间的宇宙射线能谱随着能量的升高,收集到的电子数量越来越少,应该是“往下掉”的。不管是美国费米卫星,还是丁肇中领导的阿尔法磁谱仪,都已经画出了这条缓缓向下的曲线。

然而,随着能量的升高,探测难度越来越大。受制于能量测量范围的限制,在1万亿电子伏特以上的能量区域,人类几乎已经无计可施。

这片空白的“无人区”里究竟有什么?中国人决定自己造颗卫星,看个究竟。

2015年12月,“悟空”作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星发射升空。“美猴王”的核心使命,就是寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

“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指标上世界领先,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的非常尖锐的能谱信号。

这是一只真正的“火眼金睛”。用形象的比喻来说,“悟空”能同时看清一个2米高的篮球运动员,以及他身体里的每一个血小板。

利用这只“眼睛”,常进团队开始了对宇宙的搜索。

奇异的“尖尖”

天文观测表明,宇宙中的暗物质是普通物质的5倍,其物理本质是国际粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。在较低的能量区域,“悟空”画出的能谱与其他卫星基本一致,呈现缓缓下降的趋势。这种下降行为,对判定较低能量区域的电子宇宙射线是否来自暗物质,能起到关键作用。

出人意料的是,当能量继续升高时,一个人类从未想到的现象出现了。

那条本该继续下降的线上,在1.4TeV的地方却突然出现了一个突起。这意味着,在这个能量上,有大量高能电子被“悟空”观测到。

由于暗物质湮灭或衰变时,就会产生这样的高能电子和伽马射线,中科院院士吴岳良认为,这个奇异的电子能谱,可能暗示了暗物质粒子存在的新证据。

“卫星测到的这个‘尖尖’混入的‘杂质’极少,‘纯净’度很高。”不过常进也坦言,目前的结果是基于已采集到的530天数据得到的,想进一步提高可靠性,还得继续积累数据。

“现在卫星运行良好,正持续收集数据。”他说,“一旦这个地方的精细结构得以确证,相信将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。”

言下之意,不管这个“尖尖”是不是暗物质,它都可能是一个重要成果。如果它是暗物质,那“悟空”将拨开现代物理学的一朵“乌云”;如果它不是暗物质,那它将会是一种从没被人预测过的全新粒子或天文现象,将把人类想象力的高度再次刷新。

“人类会记住今天”

“悟空”的功夫并非一天练就。常进和他的同事,20年来一直在探索用最简洁和高效的办法直接获取能谱数据。

2011年1月,中科院启动实施了空间科学先导专项,常进的构想获得了重点支持。受益于这颗卫星的,不只是科学家。中科院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项负责人兼科学卫星工程常务副总指挥吴季回忆,当时对“悟空”的设计曾有两个方案,一是将1.4吨的探测器放在现成的卫星平台上,但这样卫星总重超过3吨,必须用更大的火箭发射,光运载费就要增加五六千万元。

第二个方案则是将卫星所有服务设施都安装在探测器周围,也就是以科学载荷为中心的卫星设计理念。“最后,中科院微小卫星创新研究院仅增加了400公斤就实现了完整的卫星功能,使得载荷与整星的质量比达到了73%。”吴季说,“这种设计在中国是第一次,在世界上也是少有的。”

“悟空”的出色表现,也让中科院院长白春礼感受到坚持在基础前沿领域长期投入和付出的正确。

“今天是一个非常重要的日子,也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。”正如白春礼所说的那样,“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。”(来源:中国科学报 丁佳)

 
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