作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2020/8/26 21:42:25
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“悟空”的暗物质取经之路

 

爱因斯坦曾说过:“宇宙中最不可理解的事是宇宙是可以理解的。”在浩瀚无垠的宇宙中,目前能被人类观测到的部分只有5%,还有95%看不见摸不着的部分是暗物质和暗能量。

2015年12月,“悟空”暗物质粒子探测卫星发射升空,这是中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星,也是中国发射的首颗天文卫星,由中科院微小卫星创新研究院抓总研制,中科院多家科研院所共同参加有效载荷、科学应用系统等工程项目研制工作。中科院紫金山天文台(以下简称紫金山天文台)是“悟空”暗物质粒子探测卫星的首席科学家单位和项目发起单位。

“我们探索暗物质的道路才刚刚开始,还会有越来越多的好消息传来。”这是暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台台长、中科院院士常进经常挂在嘴边的一句话。

来自中国的建议

太阳绕银河系中心旋转一周所需的时间是2.3亿年,要把太阳固定在这样的圆周运动的轨道上需要向心力,产生这样的向心力需要太阳轨道内包含大约1011倍太阳质量的物质,而可以观测到的恒星和气体的质量只有大约一半。

“由此可见,还有一些不可见的物质贡献了更强的引力,这些物质可能是暗物质。”常进以太阳的运行为例向《中国科学报》介绍道,“暗物质是宇宙的主要组成成分之一,约占宇宙总份额的1/4,对暗物质物理本质的认识将突破现有的物理学框架,打开新的物理世界大门。”

近年来,探测暗物质粒子已成为一项重大科学问题,世界各国正在不遗余力地通过各种手段开展暗物质探测研究。

早在20世纪末,紫金山天文台的空间天文团队就开始从事空间间接探测暗物质的研究。1997年,美国宇航局在南极开展了一项名为ATIC(先进薄电离量能器)的气球探空项目,用来观测宇宙线。当年,常进从这个项目中惊讶地发现:“ATIC只观测宇宙线,有点浪费呢!”

于是,远在中国的常进给ATIC项目首席发出一封建议邮件,并通过自己的反复演算和证明,最终说服对方使用自己团队研发的观测高能电子和伽马射线的新技术方法。2000年底,重达两吨的ATIC观测设备在南极升空,在距离地面37公里的高空,成功实现了对高能电子的观测。

在常进的建议下,ATIC项目诞生了一项最有价值的发现——宇宙射线正负电子在高能段超出天体物理背景模型。

2008年11月,一篇题为《3000-8000亿电子伏特能量区间的宇宙射线电子“超”》的文章发表在《自然》上,报道了科研团队第一次发现宇宙高能电子异常,常进是论文的第一作者。

随后,常进发现:“气球实验观测时间短,数据量较小,残余大气导致的系统误差也比较大,因此对该正负电子‘超’的本质无法给出准确的答案。”为此,他带领团队想到发射空间卫星进一步改进测量,以期在电子观测以及暗物质探测方面取得突破。

将想法变成现实

基于南极气球实验以及前后开展的载人航天、探月等一系列项目中积累的技术经验,在中科院“率先行动”计划的支持下,2011年12月空间科学先导专项暗物质粒子探测卫星正式立项,2015年12月暗物质粒子探测卫星成功发射。常进带领中科院暗物质粒子探测卫星和科学研究团队仅用了4年时间就将想法变成现实,实现了中国空间天文卫星零的突破。

常进从小喜欢物理,本科选择了中国科学技术大学近代物理专业。自1992年来到紫金山天文台后,他开始从事空间探测研究,为何要“转行”?他的回答是:“空间探测是以近代物理的研究为理论基础,只是把实验从地面搬到太空。”

中科院微小卫星创新研究院研究员李华旺是暗物质卫星系统总设计师,他在接受《中国科学报》采访时表示,暗物质卫星绝大部分工作由国内科研单位完成。

其中,暗物质卫星的探测器研制单位包括紫金山天文台、中国科学技术大学、中科院高能物理研究所、近代物理研究所和国家空间科学中心;卫星平台由中科院微小卫星创新研究院研制;载荷所用的BGO晶体材料由中科院上海硅酸盐研究所研制。

在国际合作方面,瑞士日内瓦大学和意大利佩鲁贾大学参与了硅径迹探测器的研制。当前正在从事的数据分析和科学研究工作,也由中国、瑞士和意大利等数家单位的科研人员组成的分析团队联合开展。

紫金山天文台是有效载荷总体及科学应用系统所在单位,负责有效载荷的总体设计和研制,具体承担了4个子探测器中的2个,BGO量能器和中子探测器的研制(BGO量能器主任设计师单位是中国科学技术大学),并且承担了地面科学应用系统的建设等工作。

“悟空”发射升空后,常进感叹道:“所有这些工作都离不开载荷研制单位的支持和合作,大家一起保证仪器运行正常,数据刻度准确,科学成果可靠。”

“延寿”平稳运行

2019年9月,“悟空”暗物质粒子探测卫星第二批科学成果正式公布。“悟空”获得TeV-100 TeV(1 TeV=1万亿电子伏特)能区精确的宇宙线质子能谱,并发现新的谱结构。这是“悟空”继电子能谱观测后取得的又一项重要发现。

“暗物质粒子探测卫星是我国首颗专门用于科学研究的卫星,很多工作没有现成的经验可以照搬,需要大家‘小心而又大胆’地摸索。”常进解释道,“小心”是指做任何一件工作都必须高度负责,十分谨慎,考虑周全;“大胆”则是在没有先例的情况下要敢想敢做敢试。

在研究过程中,摆在科研团队前面的现实问题是,我国的空间科学研究跟国外比起来,起步晚了很多年,能够用于空间项目的投入也相对较少,这样的情况下如何能够在国际竞争中取得优势,是非常大的挑战。

常进介绍道:“我们采用了独辟蹊径的设计思路,不贪大求全,在某些指标方面做到国际领先。”事实表明,“悟空”暗物质粒子探测卫星以远低于国际上其他同类设备的价格,实现了能量分辨率、观测能段覆盖和粒子鉴别能力等几项指标世界最优,为取得最好的科学成果奠定了基础。

空间工程项目特点是投资大,风险也大。一个卫星送上天了也没有办法维修,一个小的毛病就可能导致这个卫星“报销”。常进经常打比方说:“一块钱的电阻可能使几百亿的卫星‘报销’,所以我们的责任很大。”

暗物质粒子探测卫星是一个团队的工程,最多时有300多人参与研制。“卫星研制过程中遇到了好多问题,其中有些问题光靠年轻人是不够的。”常进回忆道,“我大学已退休的老师们也参与其中,无偿的帮助我们解决难题,很让人感动。”

李华旺透露,如今“悟空”号各探测器完好如初,已经进入“延寿”运行阶段。

目前,常进团队的主要任务是保证暗物质粒子卫星平稳运行,采集更多的数据用于科学研究,并对仪器的性能进行进一步的准确刻度,提高测量精度,减小系统误差。常进说:“我们正在积极开展下一代暗物质粒子探测器的设计和关键技术预研究,期望在不远的将来,我们能在天上找到暗物质粒子。”

 
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