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新突破!“悟空”卫星获得世界上最精确的TeV电子宇宙线能谱

发布时间: 2017-11-30 07:07:17 来源: 浙江在线 记者 郑文

  浙江在线11月30日讯(浙江在线记者 郑文)11月27日,记者从中国科学院获悉,暗物质粒子探测卫星“悟空”获得了世界上最精确的TeV电子宇宙线能谱(1TeV=1万亿电子伏特),该成果于北京时间2017年11月30日在Nature杂志在线发表。“悟空”卫星的首批科学成果标志着中国科学院、中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出有了新突破。

  “悟空”卫星的使命:寻找暗物质

  什么是暗物质?简单来说,当太阳系围绕银河系中心旋转的速度太快时,天文学家设想,在银河系中除了可见物质之外,一定还有其他看不见的物质,它们合在一起的引力拉着太阳,使其不至于由于速度过高而飞离现在的位置,这些看不见的物质就被暂时称为暗物质。天文观测表明宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质要多5倍,暗物质和暗能量占当今宇宙总能量密度的95%。发现暗物质,成为了重大的科学前沿。

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  中国于2015年12月17日成功发射的首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) 正是追捕暗物质这一妖魔鬼怪的“齐天大圣”。它的核心使命就是瞄准这一重大科学前沿,在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

  根据目前理论物理学家的解释,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,将可能转换为高能电子,到空间去精确地探测高能电子能谱,就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。“悟空”卫星的科学思想和探测技术来自于暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进,他20年来始终关注天体高能粒子的能谱,并探索用最简洁和高效的办法直接获取能谱数据。“悟空”卫星采用了分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能电子、伽马射线的“经济适用型”观测。

  “悟空”卫星需要观测多种高能粒子,这也是它遇到的最大挑战。值得高兴的是,在常进看来,“悟空”卫星工作表现几乎完美,到目前为止,卫星在轨将近 2年,所有探测器性能和刚发射时一样,保持100分的状态。

  据常进介绍,与国外的空间探测设备相比,“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口。同时,“悟空”卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高,也就是其中混入的质子数量最少,能谱的准确性高。

  首批科学成果:或将成开创性发现

  经过一年多的数据积累,“悟空”终于有了重大发现。它成功获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果,为暗物质间接探测提供了关键性的研究数据。

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  图为“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色数据点),以及和美国费米卫星测量结果(蓝点)、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果(绿点)的比较。


  “悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗高能电子宇宙射线。首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定部分(能量低于1 TeV)电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

  此外,“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。目前“悟空”卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

  当去年“悟空”卫星的测量结果展现出相关迹象的时候,科学家们既激动,又担心。激动的是出现了重大发现的苗头,担心的是这个迹象是不是由于能量测的不准。之后一年的时间里,紫金山天文台和中科大投入了大量的人力核查,最后确信能量测量结果是可靠的。现在除了深入发展分析的方法,科研团队还在等待“悟空”卫星收集更多的数据。

  “‘悟空’运行非常完美,我们还需要大量的测试和数据。”暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中告诉记者,“就我们探测到的整个能谱而言,还是可以引入一些简单的暗物质模型来拟合。但是暗物质如果真的湮灭或衰变,那么会发生在宇宙中的各个角落。因此其他天文观测也有一些限制,基于这些限制我们发现前面那样简单的暗物质模型已经受到了挑战。我们或者需要更复杂的暗物质模型,或者是天体物理源。这有待世界各国的科学家进行深入的研究。”

  自然科研中国区科学总监印格致在27日的新闻发布会上表示,中国对于基础科学的支持不仅反映了中国成为世界领袖的决心,同时也展示了中国对于基础科学是创新型经济发展引擎的深刻理解。“就悟空卫星而言,此次的成果展示了中国技术实力发展的一个里程碑。这次研究中实现的测量所需的精湛技术是无与伦比的,未来可能会帮助中国解决其他我们现在还想不到的技术挑战。”


标签: 卫星;宇宙线;精确;暗物质;悟空;宇宙射线;粒子;TeV;高能电子;测量 编辑: 童健
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