作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/24 19:56:27
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宇宙重子,去哪儿了?
香山科学会议讨论“宇宙缺失重子探寻的关键科学和技术问题”

 

“大爆炸”理论是目前宇宙学的主流理论。该理论的大部分预言目前已经得到了观测验证,然而预言中的重子(“可见”)物质却有一半还没有被观测到,这便是有名的“宇宙重子缺失”之谜。

9月9日,香山科学会议第707次学术讨论会在北京举行,主题为“宇宙缺失重子探寻的关键科学和技术问题”。与会专家深入讨论了宇宙重子“缺失”问题的本质及其对星系形成与演化问题的影响,明确了解决该问题所需要的观测数据以及关键探测技术,探讨了“宇宙热重子探寻计划(HUBS)”卫星的初步设计。

失踪的“普通物质”

对于宇宙的组成及演化,“大爆炸理论”给出了令人信服的物理图像。大约,宇宙时空起始于大约137亿年前,那时物质以基本粒子形式处于一个致密、炽热的状态,随后逐渐膨胀、变冷,形成了今天的宇宙。

宇宙是由什么构成的?对来自早期宇宙的微波背景观测表明,宇宙中的主要物质成分是暗物质和暗能量,其中暗能量占总物质的68%,暗物质占27%,而剩下的能够被直接观测到的“普通物质”只占宇宙中总物质的5%。这些“普通物质”在天文学中被称为重子物质,是由质子、中子等粒子组成的。

会议执行主席之一、清华大学天文系教授崔伟在会议主旨报告中介绍,科学家利用微波背景辐射对宇宙不同时期的物质构成进行了精密测量,发现一个奇怪的现象——大爆炸之后大概38万年,所有重子物质还能被探测到,但之后被大型光学望远镜“看见”的重子物质却越来越少。到了今天,重子物质只剩下一半。

那么,另外一半重子物质去哪里了?科学家对此百思不得其解,“宇宙重子缺失”之谜引发人类强烈的好奇。

“锁定”热重子

为寻找缺失重子,科学家开展了很多数值模拟工作。“由于采用了不同的假设,不同模拟之间结果差异很大。”崔伟解释说,“但是在定性层面,不同的模拟几乎提供了相同的答案:重子物质并没有缺失,而是隐藏在星系周围或者星系际的低密度、温度百万度左右的高温气体中。”

因此,“锁定”这些高温“热重子”就有望揭开“宇宙重子缺失”之谜。不过,理论研究表明,这些气体辐射信号非常弱,处于极紫外和软X射线波段,现在还没有观测手段能够直接探测。

重要的是,找到这些热重子的意义不仅仅限于解决宇宙重子缺失之谜。在天文学家看来,如果能够高灵敏度地探测到这些高温气体,还将能够解决星系演化中的一些重大科学问题。会议执行主席之一、中国科学院上海天文台研究员袁峰表示:“对星系周介质的详细观测能够帮助我们理解活动星系核反馈,从而大大加深我们对星系演化的理解。但现有X射线观测设备在光谱分辨率和灵敏度方面的局限却阻碍我们实现这一观测。”

为此,近年来国内天文学界提出了“宇宙热重子探寻计划(HUBS)”科学卫星项目。据了解,HUBS将利用大视场X射线聚焦光学技术和基于微量能器的探测技术,在软X射线波段对热重子辐射开展高精度、高分辨率的光谱测量,为解决前述“宇宙重子缺失”、“星系演化中的活动星系核反馈”两大科学问题提供必要的观测数据。

“黑科技”助力

崔伟表示,作为由中国科学家主导的国际大科学项目,HUBS将以自主研发尖端技术为依托,吸引国际天文界积极参与。预计未来至少二十年内,HUBS将成为国际上唯一具备观测弥漫热重子能力的空间天文台。

在与会专家看来,由于HUBS所探索的科学问题高度依赖于突破极限的探测技术,必将引领、带动我国相关领域前沿技术水平的大幅度提升。具体说来, HUBS卫星的成功研制有望推动4项关键技术在国内实现从无到有的突破,包括X射线微量能器、极低温制冷机、复用读出低温电子学和大视场X射线聚焦光学。

目前,国内科研团队对上述关键技术的攻关已取得较好进展。在会议报告中,崔伟教授展示了清华大学科研团队研制的微量能器小阵列芯片;同济大学物理科学与工程学院王占山教授介绍了同济大学科研团队基于热变形薄玻璃片的嵌套式光学原理样机的研制;中科院理化所陈六彪研究员介绍了理化所和清华科研团队在极低温制冷技术方面的攻关成果;中科院微系统所高波研究员介绍了微系统所科研团队的复用读出电子学设计及核心超导器件的研制。

此外,卫星平台则由上海航天技术研究院承担。围绕载荷需求,科研团队开展了载荷与平台融合式一体化设计。“研究人员前期已开展结构、热控和信息等三个方面的一体化设计与攻关,有望极大改善载荷在轨力、热、信息处理等综合性能。”上海航天技术研究院王伟研究员在会议报告中表示。

与会专家期待,新一代尖端仪器HUBS的研发将打开人类对星系及宇宙研究的一个崭新窗口。

 
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