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科普 |“悟空”有找尋暗物質蹤影的火眼金睛

發布日期:2022-01-13??來源:國家空間科學中心??作者:高爽??瀏覽次數:33
核心提示:2015年12月16日,“暗物質粒子探測衛星-悟空”的新浪微博?!拔乙矔』卣娼浀??!?015年12月17日上午,長征二號D型運載火箭搭載我國首顆空間粒子探測衛星“悟空”,在酒泉衛星發射中心升空,自此開啟一段探測宇宙線粒子的求索之旅。暗物質粒子探測衛星在酒泉衛星發射中心升空。(新華社 賀萌 繪)“悟空”的大名叫暗物質粒子探測衛星(Dark Matter Particle Exp

2015年12月16日,“暗物質粒子探測衛星-悟空”的新浪微博。

“我也會取回真經的?!?/span>

2015年12月17日上午,長征二號D型運載火箭搭載我國首顆空間粒子探測衛星“悟空”,在酒泉衛星發射中心升空,自此開啟一段探測宇宙線粒子的求索之旅。

暗物質粒子探測衛星在酒泉衛星發射中心升空。(新華社 賀萌 繪)

“悟空”的大名叫暗物質粒子探測衛星(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE),長1.5米,寬1.5米,高1.2米,總重1.85噸,相當于一輛四四方方的小客車?!拔蚩铡边@個名字是從來自全世界的3萬多個命名提案中脫穎而出的。這是因為我們期待暗物質粒子探測衛星能像齊天大圣孫悟空一樣,領悟太空、探索太空,并取回“真經”,而“悟空”要取回的真經,就是有關暗物質的線索。

暗物質粒子探測衛星(新華社 賀萌 繪)

20世紀,天文學家發現了一些奇怪的現象,比如在銀河系中,恒星環繞銀河系中心的運動速度與推測的不同。萬有引力定律告訴我們,距離越遠,引力越小。在太陽系中,行星繞太陽公轉的速度隨著離太陽的距離增大而降低,天文觀測數據顯示,在銀河系中,物質主要集中在中心區域,在銀河系外圍區域,能觀測到的物質很稀少。那么跟太陽系類似,銀河系中心區域的恒星圍繞銀河系中心運動的速度就應更快,越往外的恒星,運動得越慢。

行星繞著太陽轉。(新華社 賀萌 繪)

但是實際上卻沒有這么簡單。天文學家發現,銀河系外圍區域和中心區域的恒星沒有明顯區別,同樣保持較高的速度運動——這就太奇怪了。以現有數據推算,如果保持外圍恒星以如此高的速度運動,銀河系里能看到的全部物質的引力都加起來也不夠。

我們可以想象自己在拋鐵餅——隨著轉圈變快,鐵餅很容易脫手并以很高的速度飛出去。但這些在外圍高速運動的恒星為什么還留在銀河系里呢?

既然僅憑銀河系中心區域的引力無法讓外圍恒星保持如此高的運動速度,那么科學家們很自然就會想到,還有一些別的物質提供引力,“拉”住了這些恒星。也就是說,銀河系外圍區域只是“看起來”很荒涼,實際上卻存在大量看不見的物質。這些物質真實存在,提供引力,但無法參與電磁作用,所以我們沒辦法用望遠鏡在任何波段觀測到。

這種不發光卻提供引力的物質,就被稱為暗物質。

根據現代天文學的宇宙模型計算,整個宇宙中,普通物質的比例不到5%,暗物質的比例在27%左右,另外還有約68%占比的東西是更為神秘的暗能量。暗物質含量超出普通物質4倍多 ,廣泛存在于我們的宇宙中。

宇宙是由5%普通物質,95%暗物質和暗能量構成的大餅。(新華社 賀萌 繪)

但問題是,暗物質既不發光,又幾乎不與普通物質發生相互作用,更無法用普通物質制造出來的容器裝起來,我們要怎么尋找它呢?

一個可行的方法是,等待暗物質自己產生能被我們觀察到的蛛絲馬跡。

暗物質之間可能會發生相互碰撞,而碰撞的結果是產生新的粒子,比如能量特別高的電子。電子是我們能夠探測到的東西。太空里有各種粒子,帶電或不帶電,帶正電或負電,質量大或小,就拿電子這一種粒子來說,還有能量比較高和比較低的。

統計太空中不同能量的電子分布是間接探測暗物質的方法之一。如果真的存在暗物質,暗物質相互碰撞產生新的能量比較高的電子,那么這些電子的數據就會偏離設想的統計規律,顯示出特殊變化。比如某一種能量的電子突然增多了,那么就可能是暗物質存在的證據。

我們看不到暗物質,但可以通過間接手段觀測它。(新華社 賀萌 繪)

也就是說,我們看不見暗物質,但能看見暗物質“打架斗毆”的“產物”。

“悟空”就擅長“看見”這些產物。

“悟空”衛星專門收集不同的粒子,按照不同類別分類記錄,并精確測量粒子的能量和方向等物理量。類似的工作,國際上的費米γ射線空間望遠鏡和丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀二號(AMS-02)也在做。那中國的“悟空”有什么獨特的優勢嗎?

還真有優勢。

“悟空”團隊發布的科學成果

這張圖的橫坐標是電子的能量,越往右表示能量越高;縱軸相當于統計了每種能量的電子的數量。通常我們用電子伏特(eV)描述電子能量,1電子伏特即1個電子被1伏特電壓加速后獲得動能的值。1GeV即10億電子伏特??梢姽獾墓庾幽芰看蠹s只有幾個電子伏特,而宇宙中高能電子的能量高達千億至萬億量級。

如圖,紅色的數據點就來自“悟空”。作為對比,藍色和綠色分別來自費米空間望遠鏡和阿爾法磁譜儀二號。相較于“費米”和阿爾法磁譜儀,“悟空”觀測的能量范圍更高,最高能達到4.6萬億電子伏特,是前兩者上限的好幾倍。此外,“費米”及阿爾法磁譜儀在5000億電子伏特以上能量時測量誤差都較大,但“悟空”在直至3萬億電子伏特的能量范圍內,數據可信度都很高。

也就是說,針對1萬億電子伏特以上的電子觀測,咱們的“悟空”有著顯著的優勢。“悟空”憑借它的“火眼金睛”,就此打開了1萬億電子伏特以上高能電子宇宙線探測的新窗口。

基于這些優勢,暗物質衛星“悟空”能夠獲得最精確的高能電子宇宙線能譜。從2015年冬天到2017年夏天,“悟空”衛星收集了530天的數據,捕獲了28億高能粒子,從中分辨出了150萬個高能電子。統計這些電子的能量分布后,2017年11月30日,“悟空”衛星公布了首批數據。

“悟空”衛星得到的高能電子宇宙線能譜,在1000GeV及1400GeV處出現不同尋常的數據點。

在圖中的紅色數據上,我們可以看到兩個特別的地方。第一處在1萬億電子伏特的地方,紅色的數據點開始往下掉,出現了一個“拐折”;第二處在大約1.4萬億電子伏特的地方,紅色的數據點出現一個高出很多的“跳躍”。

第一個特征可能與高能電子源的空間分布有關,表明能量在1萬億電子伏特以下的電子不是主要來自暗物質;而該能譜上第二個明顯的跳躍沒有人預期到。已知的天體和天文過程均無法產生具有單一能量的電子,這意味著在1.4萬億電子伏特的能量處存在新的粒子。如果這個異常數據可信,那么它可能就是“悟空”要尋找的暗物質的證據。

(來源: www.cas.cn)

當然,這個新結果可能是暗物質的跡象,也有可能是 “誤會”?!拔蚩铡毙l星的科學家們非常理性地認識到,“悟空”目前發現的結果也有可能來自其他原因,比如有限統計量導致的漲落或者是太陽系鄰近區域有某種“奇特天體”?!拔蚩铡毙l星發射兩年后的第一次科學成果就已經給我們帶來了驚喜,接下來最重要的是積累更多數據,幫助科學家們進一步分析可能的原因。

2019年,在通過電子的能譜“看”到新奇現象的線索之后,“悟空”又用它的火眼金睛立下新功——它測量了迄今為止能段最寬也最精確的質子能譜。

與電子不同,質子的質量更大,帶正電荷,傳播距離長,能夠反映銀河系中更遙遠的天體的活動。運行近四年,“悟空”共收集到約2000萬個高能質子數據。據此,科研團隊繪制出精確的高能宇宙線質子能譜。

圖中的紅點是“悟空”衛星的新結果,其他顏色的數據點是國際上同類探測器的結果對比。圖中橫坐標是質子的能量,縱坐標可以理解為統計到的質子的數量。

圖表的對比數據清晰地顯示出,“悟空”衛星對質子的探測覆蓋到了更高的能量段。圖上紅色數據點的走勢展示出質子流量先上升、后下降的“拐折”結構,尤其后半段的下降趨勢,是“悟空”首次發現的。

通常的宇宙線加速和傳播模型預期質子能譜應為冪律分布,即在圖中不同能量的質子數應無明顯結構。產生如此復雜結構的一種可能是,在太陽附近的宇宙空間中曾經有一顆大質量的恒星,在它死亡后成為超新星,爆炸后加速了大量宇宙射線,其中就包括這些高能的質子。這些已經逝去的恒星早就無法觀測到,但它還在通過其過去加速的宇宙線給我們帶來影響。

“悟空”衛星最初設計使用3年時間,因為其運行狀態良好,所以仍舊在太空中繼續工作。2021年5月“悟空”號發表了對氦核宇宙線的測量成果,也發現了高能量段宇宙線數量比理論預期高的現象。除了帶電粒子,“悟空”也能捕獲高能光子,也就是γ射線,現在,這些數據已經面向全世界公開發布。

到2021年,“悟空”已經連續運行6年時間,比計劃工作時間延長了一倍,而且還將繼續延壽運行。作為中國第一臺基礎科學衛星,“悟空”在粒子鑒別、能量分辨和能段覆蓋等方面國際領先,但其造價卻又遠低于國際同類探測器。它的設計制造、成功發射、良好運行以及與地面科學家的協同科學工作,共同證明了中國在空間探索方面取得的長足進步。

期待暗物質粒子探測衛星的科學成果。(新華社 賀萌 繪)

2021年12月17日是“悟空”衛星6歲的生日,它在宇宙空間盡情施展著自己的才華,我們同樣期待它繼續給我們帶來新的驚喜。如果“悟空”帶回了有關暗物質的粒子存在的證據,確定了暗物質的特性,勢必會給物理學帶來新的革命?!拔蚩铡北举|上只是一臺空間宇宙線望遠鏡 ,能否找到暗物質粒子的確鑿證據仍無定論,但它的火眼金睛,一定能替天文學家們打開一扇了解宇宙的新窗口,協助中國天文學在未來實現新突破。

“暗物質粒子探測衛星-悟空”微博頭像

參考文獻

[1]DAMPE Collaboration, Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons. Nature, 2017, 552(63–66).

[2]DAMPE Collaboration, Measurement of the cosmic ray proton spectrum from 40 GeV to 100 TeV with the DAMPE satellite. SciAdv., 2019, 5 (9), eaax3793.

[3]DAMPE Collaboration, Measurement of the Cosmic Ray Helium Energy Spectrum from 70 GeV to 80 TeV with the DAMPE Space Mission. Physical Review Letters 2021, 126 (20), 201102.

責任編輯:胡惠雯

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