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“悟空”:火眼金睛如何炼成

“悟空”:火眼金睛如何炼成

“悟空”在酒泉卫星发射中心成功升空。记者佘惠敏 摄

暗物质粒子探测卫星示意图。(资料图片)

  承载着中国人空间科学梦想的暗物质粒子探测卫星“悟空”,12月17日已从酒泉卫星发射中心飞上太空。它的火眼金睛,能否揭开笼罩在现代物理学天空的两朵“乌云”——暗物质和暗能量?且看《经济日报》记者采写的报道。

  看不见的大多数

  腾讯分分彩宇宙如此浩渺,星空如此璀璨。当你仰望星空时,你发现了什么?

  牛顿发现了万有引力定律,用它解释了太阳系天体的运动规律。

  爱因斯坦得出了相对论,它可以描述时空的弯曲,也可以预示宇宙的膨胀。

  根据万有引力定律,恒星的运动速度会随着与星系中心距离的变远而下降。但天文学观测结果却是,星系边缘的恒星运动速度并未变慢,这意味着有看不见的物质影响了星系间的引力效应,它们被称作“暗物质”。

  按照宇宙大爆炸理论,宇宙的膨胀速度会因为物质之间的引力作用而逐渐减慢,但天文学观测结果显示,宇宙在加速膨胀,这说明有一种与引力相反的斥力,在促使所有星系加速远离。这种神秘的斥力来源,被称作“暗能量”。

  “暗”字,表明它们看不见、测不到。

  最新天文观测结果说,如果把宇宙看做一块大饼,暗物质占26.8%,暗能量占68.3%,而我们人类能看到或观测到的普通物质,包括普通重子物质、光子和中微子等,仅占4.9%。

  暗物质和暗能量是笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云,飞上太空的卫星“悟空”,就肩负着用它的火眼金睛拨云见日的伟任。

  “一旦找到暗物质,将会带来继相对论和量子力学之后,物理学的又一次革命性突破。”暗物质粒子探测卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说。

  既不带电荷、也没有磁场的相互作用,暗物质像幽灵一样神秘而无法感知。对大多数参与暗物质粒子探测卫星研制工作的科学家来说,它是素未谋面的朋友,最熟悉的陌生人。

  暗物质粒子探测卫星工程卫星系统总师李华旺介绍,要找到这位神秘朋友,目前有三条路线:

  “创造”法,靠标准模型粒子之间相互作用产生暗物质。“创造”暗物质粒子需要能量,虽然暗物质粒子不能被直接观察到,但从丢失的能量和分布可推测暗物质的某些性质。欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC被认为可能“创造”出暗物质粒子。腾讯分分彩

  直接探测法,探测暗物质粒子和普通原子核碰撞所产生的信号。由于发生碰撞的概率很小,产生的信号也很微弱,为降低干扰,需要把探测器放置在很深的地下。我国已在四川锦屏山地面以下2400米处建立了世界上最深的锦屏实验室,开展暗物质探测研究。

  间接探测法,暗物质和暗物质相互作用,产生新的可见粒子,通过它来反推暗物质的存在。暗物质卫星“悟空”就属于此种。

  “悟空”不是唯一的,却是最棒的,它是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。

  “4个月前日本发射的暗物质探测器,接收面积只是我们的1/4。悟空1个月顶它4个月,上天后很快就会积累超过日本的数据。”卫星系统副总设计师、中国科学技术大学教授安琪自豪地说。

  超精密的小蛋糕

  “悟空”是第一颗完全由中国科学院系统研制、生产的卫星。从2011年立项至今,科学家们为了炼出它的火眼金睛,可谓殚精竭虑、妙想纷呈。

  卫星的结构设计方案与过去用载荷来适应卫星平台、载荷只占卫星总重量几分之一的中国式卫星设计不同,采取了以载荷为中心的一体化结构设计,让“悟空”体积小、重量轻、本事大。

  “悟空”只有一张办公桌大;体重不足两吨,1850公斤的质量中,载荷就达1410公斤,卫星平台才440公斤,用“小车”拉动了“重货”。“悟空”的载荷主要是四大探测器,从顶部到底部依次为:塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。它们一层层组装起来,就像一个昂贵而复杂的蛋糕。

  如何区分一个粒子?你需要知道粒子的信息,用能量、质量、电荷、入射角度、径迹来描绘它的模样,四大探测器便为此而设,构成了悟空的火眼金睛。

  塑闪阵列探测器主要由中科院兰州近代物理研究所研制,是一个扁平结构的探测器,主要测量入射宇宙线粒子的电荷。塑闪的温度适应性结构设腾讯分分彩计,是整个暗物质探测器研制中攻破的关键技术之一。塑闪分系统主任设计师刘杰说:“塑闪条很长,伸缩大,我们为适应太空环境,设计了一端可滑动的结构。一端固定,一端放松,克服了形变带来的问题。”卫星上天加速度巨大,震动剧烈,一般部件都要拧紧,放松滑动的结构是个全新挑战,怎么做到的?刘杰表示,这是个秘技,她才不会告诉你,但这个秘技毫无疑问可以用到未来我国其他航天器的设计中去。

  硅阵列探测器主要由中科院高能物理研究所研制,主要功能是测量粒子入射的路径和轨迹。该分系统主管设计师龚轲介绍:“我们的科研难点和重点,在于通道非常多,共73728路硅微条,每个条宽只有192微米,必须有这么密集的硅微条,才能保证很高的位置分辨率。”这是我国第一次在航天器中如此大规模采用硅微条,它的功耗控制也超棒,才84瓦,相当于一台家用电风扇。

  BGO量能器主要由中国科学技术大学和中科院紫金山天文台研制,它是卫星的核心部分,占整个卫星的一多半质量,功能是测量宇宙线粒子的能量。BGO晶体的长度决定了探测器的能量分辨能力。中科院上海硅酸盐研究所研发出长达60cm的BGO晶体供“悟空”选用,而其他国家的BGO晶体一般只能长到30cm。308根世界最长的BGO“水晶棒”在量能器中纵横交错排列,让“悟空”的能量测量能力远超同侪。“悟空的能量测量范围,是阿尔法磁谱仪2号的几十倍。”该分系统副主任设计师封常青说。

  中子探测器主要由中科院紫金山天文台研制,中子探测器主任设计师马涛介绍,它会测量宇宙线粒子与探测器上层物质相互作用产生的次级中子,让科学家进一步区分宇宙线的成分。

  在地球上研究粒子物理,需要非常大的探测器,但卫星不能做那么大。为此,四个探测器结构紧密,能省则省,让小块头也有大本事。暗物质卫星有效载荷数据管理分系统主任设计师、中科院国家空间科学中心研究员朱岩介绍,整个探测器有42000路电子学读出电路,接近8万路探测器通道数。如此复杂的探测器主体,却需要安装在约1立方米的狭小空间内,技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

  不确定的新发现

  在国际同类探测器里,“悟空”处于什么水平?

  “能量分辨率、观测能段范围都是世界第一,空间分辨率、本底抑制都达到国际最高水平。”暗物质粒子探测卫星首席科学家常进对“悟空”的“神通”如数家珍。

  现在,“悟空”正在高度约500公里的太阳同步轨道上快乐地飞行,它的主要科学目标有三个:暗物质粒子间接探测、宇宙射线起源和伽马射线天文。它的火眼金睛,每天要观测约500万个高能粒子、传回16G数据。

  按设计,“悟空”将在轨工作三年以上。头两年采取巡天观测模式,对全天区进行扫描,探测暗物质存在方位。两年后转入定向观测模式,观测前一阶段探测结果分析出的暗物质最可能出现区域,如果巡天模式下未探测到暗物质,则考虑定向观测国外研究显示最可能出现暗物质的银心区域。

  在“悟空”巡天期间,有100余人的地面科学家团队对它传回的数据开展分析研究,首批科研成果可能会在半年至一年后公布。

  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。“悟空”所提出的观测对象和观测能区到目前为止都是国际上的第一次。“人类的每个‘第一次’观测,都会有许多预见不到的科学发现,我们期望这次观测也能得到许多‘第一次’的发现。”常进说。

  如何确认“悟空”是否发现了暗物质?

  紫金山天文台研究员马涛向记者介绍,暗物质粒子相互作用,正反物质发生湮灭,产生电信号,会在科学仪器中体现出来。“不同电子的流量分布,正常情况下是平滑的衰减曲线。如果曲线上出现小鼓包,就可能有暗物质。我们怀疑,这鼓包会出现在‘悟空’可以探测的高能谱区。”马涛说。

  “‘悟空’开始工作后,我们能在太空中,在更长时间和更大范围里探测暗物质,有希望获得比较准确的、可以说服所有科学家的暗物质迹象。”马涛说。

  “‘悟空’为我们在空间打开一扇新的窗口,我不能肯定它会找到暗物质,但肯定会有新发现。”常进表示,暗物质的基本物理性质还不清楚,但高能谱区电子有异常则可以肯定,“我们不确定这种异常是否来自暗物质,但只要弄清楚这个异常,就是很大的成果”。

  事实上,不仅是高能电子能谱,“悟空”观测到的伽马射线谱线、伽马射线空间分布等都可用于研究暗物质。

  金猴奋起千钧棒,玉宇澄清万里埃。

  我们期待,携着水晶棒上天的“悟空”,能用它的火眼金睛,让暗物质由暗转明,让人类看见一个更清晰的宇宙。

  (原载于《经济日报》 2015-12-24 15版)