寻觅看不见的物资:中国首颗暗物资探测卫星发射

2015-12-18 6:30:22 暂无评论默然网络信息 819

中国暗物资探测卫星“悟空”点火升空全进程。视频来源：央视（02：05）

12月17日，搭载暗物资粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空。新华社图

　　2015年12月17日8时12分，中国在酒泉卫星发射中央用长征二号丁运载火箭成功将暗物资粒子探测卫星发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功，标志着我国空间科学研究迈出主要一步。

　　暗物资粒子探测卫星是中国科学院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学试验卫星之一，是现在天下上迄今为止观察能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物资粒子探测卫星。它的主要科学目标有三个，分别是：

　　1）经由在空间高分辨、宽波段观察高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物资粒子，在暗物资研究这一前沿科学范畴获得严重突破；

　　2）经由观察TeV以上的高能电子及重核，在宇宙射线起源方面获得突破；

　　3）经由观察高能伽玛射线，在伽玛天文方面获得主要成果。

　　暗物资粒子探测卫星属于大型空间高能观察设备，它的工作轨道为高约500千米的晨昏太阳同步轨道。卫星根据任务需求采用BGO量能器结合硅阵列探测器和塑闪阵列探测器完成高能粒子能量、方向、电荷的丈量，并以中子探测器提高电子与质子鉴别率。

　　暗物资粒子探测卫星是我国第一颗由中国科学院完全研制、生产的卫星。中国科学院国度空间科学中央担任暗物资粒子探测卫星工程大总体工作；卫星体系由上海微小卫星工程中央担任抓总并承担卫星平台的研制，有效载荷由中国科学院紫金山天文台担任抓总研制，中国科技大学、中国科学院高能物理所、近代物理所、国度空间科学中央等参加；空中支撑体系由中国科学院国度空间科学中央牵头担任空中支撑体系研制、建设和运转，对地观察与数字地球科学中央等单位参加；科学应用体系由中国科学院紫金山天文台担任应用体系研制、建设、运转。用于发射的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院抓总。

　　暗物资和暗能量，被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。现在，我国和天下各国已着手筹建或实施多个暗物资探测试验项目，其研究成果将可能带来基础科学范畴的严重突破。

　　中国已经成为航天大国，并要向航天强国转变，就不能没有空间科学卫星。科学对于一个国度来说是非常主要的，要想翻新驱动开展，必需有知识。现在在空间科学范畴，中国还只是知识的使用国。中国要想实现翻新驱动开展，必需要有翻新的能力。暗物资粒子探测卫星的成功发射和在轨运转将有望推动我国科学家在暗物资探测范畴获得严重突破，对于推动空间科学卫星系列可持续开展，促进我国在空间科学范畴的翻新开展具有严重意义。

　　除暗物资粒子探测卫星外，空间科学先导专项系列卫星工程在近期还将陆续发射三颗卫星，分别是：量子科学试验卫星、实践十号返回式科学试验卫星、硬X射线调制千里镜卫星。

　　出品：科普中国

　　制作：《科学天下》杂志社

　　监制：中国科学院计算机网络信息中央

　　你或许听说过“暗物资”吧？咱们都知道身边的物资是由原子构成的，而原子又是由质子、中子、电子等粒子构成。那么，暗物资又是什么，由什么构成？它为什么那么主要，以至于各国科学家们，应用各种先进仪器，在地下深处或是太空中夜以继日地追寻着它的踪迹？

　　为什么说存在着暗物资？

　　既然咱们身边的事物都是由普通物资构成的，那为什么还会以为自然界中存在着暗物资这种东西？

　　天文学家们是从20世纪30年月开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物资。1933年，瑞士的天文学家弗里茨?兹威基（Fritz Zwicky）对间隔地球3.2亿光年、由超过3000个星系构成的后发座星系团执行了观察。

　　他采用了两种不同的方式来丈量星系团的质量。第一种方式是对大量星系的活动速率执行分析，由于速率与引力有关，以是能够间接估计出星系团的质量。用这个方式失掉质量称为“力学质量”。另一种方式是经由星系团内星系的亮度来估计质量，由于恒星质量越大就越亮。这样失掉的质量称为“光度质量”。按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际失掉的结果是，力学质量比光度质量高了400倍两旁！也就是说，力学质量里的绝大部分是咱们看不到（不发光）的物资。假如没有这部分“看不见的物资”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像当初这样束缚在一起。

　　到了20世纪70年月，美国天文学家薇拉?鲁宾（Vera Rubin）使用基特峰天文台和洛厄尔天文台的千里镜对间隔地球约250万光年的仙女座星系执行观察。她应用多普勒效应丈量了这个星系不同半径处，围绕着星系中央旋转的气体的活动速率。按说，离中央越近，引力越大，活动速率应该越快才能发生足够的离心力，抵消掉引力的影响。就像离太阳越近的行星，公转速率就越大。但鲁宾也发明了奇怪的现象：离星系中央不同间隔处的气体，围绕中央旋转的速率都差不多。她又观察了其余星系，发明也是同样的情况。鲁宾由此以为，宇宙中存在着咱们看不到的物资，为弥散于星系各处的气体提供着引力。

　　20世纪80年月，科学家正式提出了“暗物资”这个名称。当初普遍以为，构成星系团的质量中，星系只占了百分之几，星系际介质约占20%，暗物资的比例则高达70%~80%。暗物资的所谓“看不见”，不单单是说用咱们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。也就是说，暗物资不发出任何波段的光。

　　被淘汰的暗物资候选者

　　暗物资到底是什么，当初还不清晰。咱们先来看看科学家已经消除了哪些暗物资的“候选者”吧。

　　人们首先想到暗物资会不会是那些用光学千里镜很难发明的暗天体，比方行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。然而所有暗天体加起来，也达不到星系总质量的10%，不足以扮演暗物资的主要角色。

　　那么，扩大范围，暗物资是由原子构成的吗？研究以为，由原子构成的物资也不足暗物资的1/5，依然无奈知足暗物资所需要的量。在宇宙的早期可能存在小型的“原初黑洞”，它们不是从原子构成的恒星演化而来的，以是并不能将之从暗物资候选者中消除掉。然而原初黑洞是否真的存在当初还并不清晰。

　　枪弹星系团是由两个星系团碰撞而形成的。科学家应用引力透镜研究其质量散布的变化发明，暗物资与其余物资简直没有相互作用，在碰撞的进程中会相互穿越而过。这个性质使人想到了中微子，它既不是原子构成的，也很难与其余物资发生相互作用，而且中微子数量庞大，每秒钟都会有上百万个中微子穿过咱们的身体。那么中微子是不是暗物资呢？

　　20世纪70年月，科学家提出，宇宙中假如只有“可见物资”的话，那么从宇宙诞生至今的这段时间里，就来不及形成当初所观察到的宇宙中的某些构造。1985年，英国苏塞克斯大学的卡洛斯?弗伦克（Carlos Frenk）团队提出，暗物资对于宇宙中恒星和星系等小构造的发生起到了主要的作用：首先，由于偶然性，有些地方的暗物资会聚集得多一些，以是引力更强，暗物资就更易积聚，密度渐渐变大；接下来，由原子构成的物资（气体）也被引力拉过去，很快进一步坍缩，生成恒星和星系等构造；然后，一些星系进一步汇集，形成星系团。就这样，在暗物资的作用下，从星系到星系团，一步步形成了宇宙中的大尺度构造。

　　然而上述方案的成立是有前提的，就是暗物资必需是很“冷”的，这意味着它们是由低速的粒子构成的。计算显示，假如活动的速率太大，粒子弥散的范围太广，星系这样的小尺度构造就难以形成了。而中微子是以接近光速活动的“热”粒子，加上它的质量也太小，因此也被从暗物资的候选者中消除了。

枪弹星系团

　　这是NASA的哈勃太空千里镜与钱德拉X射线天文卫星、拉斯坎帕拉斯天文台的麦哲伦千里镜捕捉到的枪弹星系团（1E0657-556）的合成图。在枪弹星系团内，两个星系团以每秒4500千米的速率相互碰撞。粉色代表用X射线观察到的星系际气体的散布。蓝紫色代表星系团的质量散布，这也能够以为就是暗物资的散布。这个质量散布是应用枪弹星系团背后的天体所发出的光被星系团的引力效应弯折的现象推算出来的。能够看出，气体发生碰撞后停留在中央，暗物资则互相穿过。（图：NASA等）

　　暗物资的必要前提

　　当初咱们来总结一下，看看要成为暗物资，都需要知足哪些前提：

　　1。不发出任何光

　　2。简直不与任何物资发生碰撞

　　3。在宇宙早期时速率简直是零

　　4。宇宙中存在的量大概是可见物资的5倍

　　科学家以为，知足上述前提、有希望成为暗物资的基本粒子有两种：中稍微子（neutralino）和轴子（axion）。中稍微子是一种理论上预言的粒子，尚未被发明。它不带电，质量是质子的1000倍两旁，由于质量大以是活动得很慢。它既不发光，也很少与其余物资发生碰撞。在宇宙中的数密度平均是1000立方米1个。轴子也是一种理论上预言的粒子，它的质量非常小，大概只有质子的100万亿分之1。假如轴子就是暗物资的的话，数密度能够达到1000立方米1017个。从宇宙早期诞生时开始，轴子的速率就简直为零，这是由于它简直不与其余粒子发生碰撞，也就无奈失掉能量。

　　寻找暗物资

　　暗物资是现代天文学和物理学的一大谜团。天下上有很多科学团队在试图找到它。实际上，暗物资本身咱们根本无奈捕获，只能从它与其余物资偶然发生的碰撞所发生的蛛丝马迹，来捕捉它的身影。

　　最直接的方式就是捕捉暗物资与某个原子核相碰撞时发出的信号。比方我国的锦屏极深地下暗物资试验室，位于四川雅砻江锦屏山的隧道内，上方有厚达2400米的岩石层，能够将穿透力极强的宇宙射线隔绝到只有空中水平的大概亿分之一，为探测暗物资提供了一个简直没有干扰的环境。试验室使用的是我国自主设计的高纯锗探测器，丈量暗物资粒子与锗晶体碰撞时发生的热。加拿大、美国、意大利、日本等国也建有寻找暗物资的地下试验室。

锦屏极深地下暗物资试验室是天下上岩石覆盖最深的试验室

　　还有间接探测暗物资的方式，就是捕捉暗物资对互相碰撞、湮灭时发生的痕迹。当一对暗物资粒子偶然正碰的时候，会同时湮灭，可能会放出质子、电子及它们的反粒子、中微子和伽马射线。假如能够精确丈量到这些粒子的能谱，就可能会发明暗物资粒子的踪影。比方丁肇中教授主持的阿尔法磁谱仪（AMS）试验，就是在太空中高精度地探测反物资粒子的能谱，有可能发明暗物资的踪影。2011年5月19日，奋进号航天飞机将重达6.7吨的AMS-02探测器运送到国际空间站上，展开探测。我国有多个研究单位参与了这一项目。