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中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射 怎么找暗物质?

  发表时间:2015年10月30日  点击数:1094 次

  全球范围征名后取名“悟空”

  16日下午,在升空前一天,中国科学院国家空间科学中心在酒泉宣布,将中国暗物质粒子探测卫星命名为“悟空”。

  该中心表示,悟空是古典名著《西游记》中齐天大圣的名字,“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,犹如暗物质粒子探测卫星的探测器,可以在茫茫太空中,识别暗物质的踪影。

  中科院科学传播局局长周德进说,“悟空”是从全球范围内的征名活动中脱颖而出的。征名活动开始于9月29日,一个多月中收到有效提案3万多个,平均每天都收到数百个。

  探寻暗物质存在的证据

  “悟空”是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器。它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,探寻暗物质存在的证据,研究暗物质特性与空间分布规律。

  占宇宙95%以上的暗物质和暗能量由万有引力定律证实存在,却从未被直接观测到。暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域。包括我国在内的世界各国正在筹建或实施多个暗物质探测实验项目,其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

  据介绍,“悟空”全部由中科院研制、生产。工程2011年立项,造价1亿美元。“悟空”由四个有效载荷组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器。所有探测器及电子设备安装在1个立方米的空间内,技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

  “悟空”将在轨运行3年以上,首批科学成果有望在6个月至1年后发布。中科院国家空间科学中心主任吴季表示,“悟空”的成功发射和在轨运行将有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破,对促进我国空间科学领域的创新发展具有重大意义。

  科普

  什么是暗物质?

  ——无处不在却从未被直接观测到

  20世纪30年代初,美国加州理工学院的兹威基第一个发现,宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。

  科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。它无处不在却从未被直接观测到。到了20世纪70年代,多种天文观测,比如盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等都显示了暗物质的存在。科学家将宇宙比喻成一个由三部分组成的大饼:5%的普通物质,27%的暗物质和68%的暗能量。

  “暗物质是不带电荷的,也没有电磁场的相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物,不着痕迹地从身边飞走。因此尽管我们周围存在暗物质,例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,但并不能为我们所看到或感觉到。”暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台研究员常进说。

  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,由于人类还不了解暗物质,不得已才称它们“暗”,一旦发现了它们是什么,并且随着研究的深入,新发现的粒子就会有很多名字。

  为何要找暗物质?

  ——暗物质决定着宇宙未来的命运

  科学家们认为,暗物质是宇宙大爆炸的产物,在宇宙演化中起着决定性作用,也决定着宇宙未来的命运。通俗点说,没有暗物质的引力作用,人类所在的星系——银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话,现在既没有太阳,也没有地球,更没有人类。

  暗物质给人们的观念带来极大的冲击和突破。之前,人们无法想象这种看不见摸不着的物质在宇宙中竟占有如此大的比重。科学家希望通过解开暗物质之谜,最终了解宇宙的起源。美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道就曾表示,对暗物质的研究将预示着物理学的又一次革命。

  此外,暗物质和暗能量的研究在基础物理学中也有着重要意义。在现代物理学和天文学研究中,暗物质和暗能量被视为“两朵乌云”,目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。美国科学家在一份报告中列出21世纪要解答的11个科学问题,“什么是暗物质”被列在第一位。揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。

  怎么找暗物质?

  ——多种精密仪器全方位进行探测

  “悟空”将如何寻找暗物质?常进说,世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质的时候,两者都会被摧毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,产生的能量将更大。

  “假如能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并能够精确测量这些粒子的能谱,就能间接证明暗物质的存在。”常进说。

  因此,“悟空”将面朝太空,接受来自宇宙四面八方的高能电子和伽马射线。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能量器和中子探测器四个科学载荷,它们各司其职,能测量高能粒子的能量、方向和电荷,并有鉴别粒子的本事。

  由于暗物质可能存在于任何区域,它头两年将对全天扫描,探测暗物质存在的方位。两年后,根据全天区探测的分析结果,它将对暗物质最可能出现的区域开展定向观测。

  100多名中国科学家将对卫星数据展开分析研究,首批科学成果有望在卫星发射6个月至一年后发布。

  花絮

  刘慈欣:已构思与暗物质有关科幻小说

  当天,曾凭科幻小说《三体》获得“雨果奖”的科幻作家刘慈欣也在距离发射塔架1500米的旷野中,亲眼目睹了卫星的发射过程。

  “暗物质在科幻小说中几乎是空白,只有罗伯特·索耶的《金羊毛》中写到过。”在零下15摄氏度的酒泉卫星发射中心,刘慈欣告诉记者。

  “暗物质给科幻小说留下了很大的创作空间,完全能够担当推动小说情节的重要线索。”刘慈欣说,他已经开始构思与暗物质有关的科幻小说。

  “悟空”能否如愿完成任务找到神秘莫测的暗物质?

  对此,刘慈欣认为,太空探索,本质上是创新的事业,要去向未知的世界,就不能惧怕失败。

  “地球只是一个暂住的地方,人类的未来在太空中,我们要更勇敢一些。”刘慈欣说。

  “悟空”小档案

  外形:

  长宽高分别为1.5米、1.5米和1.2米,比一张办公桌大不了多少。

  体重:

  整星质量1.85吨,有效载荷质量1.4吨。

  携带仪器:

  塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器。

  名字由来 从全球范围内的征名活动中选出。出自古典名著《西游记》,“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索太空之意。

  所处轨道 距地面500公里的太阳同步轨道。

  探测方法 通过探测宇宙中高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。卫星将围绕地球旋转,四层科学探测器将面朝太空,全面接受来自宇宙四面八方的高能电子和伽马射线。这相当于科学家在宇宙中放置了一台“除去大气层面纱”的“超高清望远镜”。所有收集到的科学数据将完整保存,并实时传回地面。

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