紫金山天文台:卫星“悟空”可能找到暗物质

2017年12月01日07:15  来源:现代快报
 
原标题:锁定神秘信号 “悟空”可能找到暗物质

暗物质卫星“悟空”艺术构想图(紫金山天文台提供)

“悟空”科学应用系统副总师范一中在介绍发现的反常信号段 新华社

常进

暗物质,一个人类追寻多年的宇宙魅影,最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。

国际权威学术期刊《自然》于北京时间11月30日在线发布,暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测量到电子宇宙射线的一处异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测,意味着中国科学家取得了一项开创性发现。而这个发现,有可能与暗物质有关。

11月30日下午,中科院紫金山天文台召开暗物质粒子探测卫星“悟空”首批重大科学成果报告会。“悟空”的火眼金睛探测到了什么?已引起全世界的关注。

重大 发现

找到“反常信号”,现有物理模型无法解释

据中国科学院公布,暗物质粒子探测卫星“悟空”有充分数据证实,在太空中测量到了电子宇宙射线的一处异常波动。这一波动此前从未被观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现,且有可能与暗物质相关。该成果于北京时间30日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。

“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进介绍,电子宇宙射线的正常能谱变化应该是一条平滑曲线,但根据“悟空”观测数据,在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段突然出现剧烈波动,呈现一个“尖峰”。

“现有的物理模型无法解释‘悟空’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。常进表示,这或许是暗物质粒子湮灭留下的证据,或许是某种人类还完全没有认知的超高能“加速器”,无论哪一种,都可能将人类引向一扇新的物理学大门。

常进说,“快则一年、慢则三年,我们预计卫星在此处测到的电子数量能达到150个左右。那时整个能谱形状更清晰,结论更确定。”“粒子物理领域已进入下半场,希望‘悟空’能得分。按照目前进度,我们的第二批科学成果预计将在明年底发表。”常进说。

“‘悟空’的最新发现,是引领性原创成果重大突破。”中科院院长白春礼说,如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项具有划时代意义的科学成果,即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。

从35亿个中找到100个“异常”

紫台专家:比“大海捞针”还难

截至目前,“悟空”探测到的高能宇宙粒子已达到35亿个,而1.4TeV能量处的电子只找到100个左右。这一比例,相当于从全中国人口中,筛选出不足40人来。

“当时的数据量太少了,我们一方面异常兴奋,一方面又担心这仅仅是数据上的假象。幸运的是,这个信号随着时间的增长变得越来越清晰!”暗物质卫星科学应用系统副总师,中科院紫金山天文台研究员范一中回忆道,为了找出这不到千万分之一的事例,每一个可能的目标,都要经过几百甚至上千遍分析。

“悟空”每天传送回500万个粒子信息,其中99%以上是质子等无用的“噪声粒子”。科研人员首先要把这些背景杂质统统剔除,剩下极少数可能有用的目标电子,再进入下一个分析环节。

“既是‘大海捞针’,又是‘盲人摸象’。”范一中说。

悟空 是谁

它是中国的暗物质卫星,它的功夫“世界一流”

2015年12月发射升空的“悟空”,是世界上最高能量分辨率、最宽观测能段、最强粒子鉴别力的空间粒子探测器。自上天以来,它每天奔跑在500公里外的太阳同步轨道上,为全人类肩负起寻找暗物质、探索新物理的重任。

一身“好功夫”的“悟空”一上天就神气活现。三个月,体检100分;年度测评,全优;700天过去了,它已绕地球1万多圈,扫描全天空四次,相同时段内,“悟空”积累的TeV以上的观测数据相当于国际空间站上的日本量能器型电子望远镜和阿尔法磁谱仪实验的5倍以上,意味着已经完成了其他同行至少十年的工作量。

每天清晨和傍晚,“悟空”路过中国,位于密云、喀什、三亚的三个数据接收点就启动程序,接收“悟空”每天回传的约16G数据,相当于一部高清电影的数据量。2016年6月28日,“悟空”的中枢系统在平稳工作了半年多后,第一次遭遇危机。当日轮值并监控到这次危机的雷仕俊吓了一跳,经过分析,“凶手”很有可能来自南大西洋异常区的高能宇宙线粒子。日行60万公里的“悟空”,几乎每天要经过异常区两三次,被击中的概率不小。

从爱因斯坦提出广义相对论并预言了引力波的存在,到探测到引力波信号,已耗费了人类整整一个世纪。

令人欣慰的是,还有许多实验和设备正在与“悟空”并肩作战:美国费米卫星、日本量能器型电子望远镜以及丁肇中团队主持的阿尔法磁谱仪等。

“找到了窗户,而且打开了,肯定要接着深挖,有可能看到更有意思的东西。看到这样的结果,就会有信心造一个更大的。”瑞士日内瓦大学教授吴欣说。

什么是暗物质?

主流学界认为,人类已发现的物质只占宇宙总物质量不足5%,剩余部分由暗物质和暗能量等构成。揭开暗物质之谜,被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论、量子力学之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

中科院紫金山天文台研究员范一中说,“甚至可以大胆猜测,如果没有暗物质,就不会有太阳系和地球,人类也就不会存在。”范一中补充道。

如果真发现暗物质,会对我们的生活有什么影响?上述两位科学家都表示无法预测。但作为一个标准模型里没有的粒子,找到暗物质意味着物理学的突破。“一百年前科学家发现电磁波,从而促使X光在现在的广泛运用,而量子力学的应用则让手机的出现成为可能。”因此也可以相信,暗物质的出现,会给人们的生活带来一定的影响。

项目 功臣

网红科学家常进:

一群年轻人和我奋战在一起

从中国科大近代物理系毕业后,常进在位于南京市的紫金山天文台研究了二十多年的宇宙高能电子、高能伽马射线。20年前,我国在该领域的研究几近荒漠。常进想要走出“沙漠”,似乎只剩下“搭便车”一条路。

1997年,美国宇航局在南极开展长周期气球项目ATIC,主要目标是观测高能宇宙射线,电子、伽马射线本不在观测之列。“这是个机会!”常进意识到,南极是地球上观测高能电子独一无二的窗口。他一遍遍给南极项目负责人发邮件,阐述自己的观测构想。

经过一年多验算、证明,这一最初被认为“疯狂”的计划最终得到支持。此后7年,常进3次参与南极观测,在3000多万个宇宙线粒子里成功找到210个超出正常能谱的高能电子。2008年,以常进为第一作者的论文在《自然》杂志发表。在文中,常进论述了电子“超出”可能来自暗物质湮灭,“搭便车”的研究最终获得了国际瞩目的成就。

从找到暗物质探测的“钥匙”,到2015年底“悟空”发射成功,又是10年百折不挠的技术攻关。此后的进度被按下了“快进键”,“悟空”从正常运转到取得首批成果,只用了不到2年。

常进自我调侃:我现在变成网红了。“成果发表,我一是激动,二是不安。因为科学家并不应该站在舞台中央。而且,工作也确实不是我一个人干的。”常进说,还有一大群年轻人没日没夜地跟他奋战在一起。

“悟空”上天后,地上有一个80多人的团队天天追着它。“‘悟空’有监控人员,相当于队医,每天给卫星体检。还有科学分析人员,来分析解释‘悟空’收集到的数据意味着什么。”常进说,这是一个很繁琐的工作,需要所有人互相配合才能完成。(徐岑 韩雨霁)

(责编:萧潇、张鑫)

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