当我们仰望星空,其实只看到了宇宙的冰山一角,宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏的。暗物质是什么?暗物质,披着隐身衣的“宇宙幽灵”,科学家仅知道它们存在,却无法探测到它们。17日,中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射基地成功发射,它的使命就是用“火眼金睛”去寻找暗物质粒子存在的证据。
“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨高能空间望远镜。”暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进说,“它有望深刻地变革人类的宇宙观,实现空间科学重大突破。”
为什么要寻找暗物质?
对常进来说,暗物质就像一个从未谋面的朋友,既亲切又陌生。
“宇宙中,我们能看见的物质,都因为带有电子而能‘发光’,我们能触碰一张桌子、一面墙,感觉到它们的存在,是因为有电磁场的相互作用。而暗物 质是不带电荷的,也没有电磁场的相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物,不着痕迹地从身边飞走。”常进说,“因此尽管我们周围存在暗物质,例如平均1立方厘米 的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,但我们并不能看到或感觉到。”
科学家们认为,暗物质是宇宙大爆炸的产物,在宇宙演化中起着决定性作用,也决定着宇宙未来的命运。同时,暗物质和暗能量的研究在基础物理学中也有着重要意义,因为科学界公认的粒子物理标准模型仅能解释占宇宙4.9%的普通物质,却无法解释暗物质和暗能量。
因此,暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”。美国科学家在一份报告中列出21世纪要解答的11个科学问题,“什么是暗物质”被列在第一位。
科学界公认,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。
中科院国家空间科学中心主任吴季说,暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域,全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质、暗 能量及其隐藏的巨大科学宝藏。“可到目前为止,人们找到的还都只是一些疑似证据。”吴季说,“人类还没有找到它,也不知道其质量、性质,不能用物理学标准 模型去解释。”
暗物质距离人类生活如此遥远,为什么还要花这么多时间、精力和成本去寻找?科学家们回答,这一方面源自人类对于未知的好奇心和求知欲,另一方面,科学研究的价值和意义虽然有时在短期内无法显现,但往往能带来一些“副产品”,给科技和生活带来变革。
怎样寻找“宇宙幽灵”?
目前,国际上对暗物质探测方式主要分为3类。第一类是在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞 机;第二类是在地下进行的直接探测,各国有不少这样的实验项目,其中我国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室;第三类是在太空进行间接 探测。
我国暗物质粒子探测卫星属于第三种方法。这种方法怎样寻找暗物质?常进解释说,世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质的时候,两者 都会被摧毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,产生的能量将更大。
“假如能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并能够精确测量这些粒子的能谱,就能间接证明暗物质的存在。”常进说。
采用同样方法的还有诺贝尔奖获得者丁肇中研制并放置在国际空间站的阿尔法磁谱仪2号(AMS02)以及日本今年发射的量能器电子望远镜等。其中AMS02已经观测到一些异常,但因为观测能段的限制,数据也比较少,还无法下结论。
“我国的暗物质卫星是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。”卫星科学应用系统总设计师伍健说, 其能段是阿尔法磁谱仪的10倍,涵盖了电子能谱和光子能谱发生异常的地方;其能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。“宇宙空间是人类最后的实验室,宇宙 射线最高能量比目前最大的加速器高1亿倍以上。”常进说,“我国暗物质卫星提出的观测对象和观测能区都是到目前为止国际上的第一次。”
“悟空”怎样施展“神通”?
常进介绍,卫星有效载荷初样件在欧洲核子中心(CERN)进行了3次束流实验来测试各项物理性能指标,表明它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强3大优势。
卫星系统总设计师李华旺介绍,卫星由4个科学探测有效载荷组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器,共同构成一个 高能粒子探测器望远镜。4个探测器由上到下摞在一起,就像一个四层“大蛋糕”,它们各司其职,又联合执行任务,可以高精度地测量入射粒子的种类、方向、能 量和电荷。
进入太空后,“悟空”将在500公里太阳同步轨道上运行。它将采取两种观测模式:在头两年采用巡天观测模式,由于暗物质可能存在于全天区的任何 区域,所以第一阶段对全天扫描;两年后卫星转入定向观测模式,根据全天区探测的结果分析出暗物质最可能出现的区域,并针对这些区域开展定向观测。
卫星每天将传回约16G数据量,地面100余人的科学家团队将对数据展开分析研究。首批科学成果可能在6个月至1年后发布。
国际上很多团队在寻找暗物质,但迄今还从未探测到暗物质的明确信号。常进坦言,暗物质的基本物理性质还没有弄清楚,没有人能百分之百保证找到暗 物质。“但只要卫星工作正常,就为我们打开了一扇观测宇宙的新窗口,必然会发现很多新奇的现象。”常进说,寻找暗物质需要全世界科学家共同努力。
暗物质:尚未被找到的“宇宙主角”
暗物质有多火?就连热门美剧《生活大爆炸》里的主角“谢耳朵”都转行研究暗物质了。暗物质是怎么被发现的?20世纪30年代初,美国加州理工学 院的天体物理学家兹威基第一个发现,宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。科学家把这种看不 见的神秘物质称为“暗物质”。到了20世纪70年代,多种天文观测,比如盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等都显示了暗物质的存在。但直到现 在还没有确定的暗物质信号被探测到。
虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些了解:
——宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,暗物质占26.8%。暗物质无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。
——暗物质难以探测,还在于它密度小、速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。
——暗物质应该来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常强,它们剧烈碰撞,在这种相互作用下,包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。
——宇宙的结构与暗物质有关。由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上,并最终形成了星系。
——暗物质对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用,我们所在的银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话,现在既没有太阳,也没有地球,更没有你我……
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