12月17日,搭載暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的長征二號丁運(yùn)載火箭升空
2015年12月17日8時(shí)12分,中國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。此次發(fā)射任務(wù)圓滿成功,標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究邁出重要一步。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)中首批確定立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一,是目前世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星。它的主要科學(xué)目標(biāo)有三個(gè),分別是:
1)通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子,在暗物質(zhì)研究這一前沿科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破;
2)通過觀測TeV以上的高能電子及重核,在宇宙射線起源方面取得突破;
3)通過觀測高能伽瑪射線,在伽瑪天文方面取得重要成果。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星屬于大型空間高能觀測設(shè)備,它的工作軌道為高約500千米的晨昏太陽同步軌道。衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)需求采用BGO量能器結(jié)合硅陣列探測器和塑閃陣列探測器完成高能粒子能量、方向、電荷的測量,并以中子探測器提高電子與質(zhì)子鑒別率。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是我國第一顆由中國科學(xué)院完全研制、生產(chǎn)的衛(wèi)星。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星工程大總體工作;衛(wèi)星系 統(tǒng)由上海微小衛(wèi)星工程中心負(fù)責(zé)抓總并承擔(dān)衛(wèi)星平臺的研制,有效載荷由中國科學(xué)院紫金山天文臺負(fù)責(zé)抓總研制,中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理所、近代物理 所、國家空間科學(xué)中心等參加;地面支撐系統(tǒng)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭負(fù)責(zé)地面支撐系統(tǒng)研制、建設(shè)和運(yùn)行,對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心等單位參加; 科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由中國科學(xué)院紫金山天文臺負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)研制、建設(shè)、運(yùn)行。用于發(fā)射的長征二號丁運(yùn)載火箭由中國航天科技集團(tuán)公司所屬上海航天技術(shù)研究院抓總。
暗物質(zhì)和暗能量,被科學(xué)家們稱為“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云”。目前,我國和世界各國已著手籌建或?qū)嵤┒鄠€(gè)暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其研究成果將可能帶來基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破。
中國已經(jīng)成為航天大國,并要向航天強(qiáng)國轉(zhuǎn)變,就不能沒有空間科學(xué)衛(wèi)星??茖W(xué)對于一個(gè)國家來說是非常重要的,要想創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,必須有知識。目前 在空間科學(xué)領(lǐng)域,中國還只是知識的使用國。中國要想實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展,必須要有創(chuàng)新的能力。暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行將有望推動我國科學(xué)家 在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域取得重大突破,對于推動空間科學(xué)衛(wèi)星系列可持續(xù)發(fā)展,促進(jìn)我國在空間科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展具有重大意義。
除暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星外,空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)系列衛(wèi)星工程在近期還將陸續(xù)發(fā)射三顆衛(wèi)星,分別是:量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、實(shí)踐十號返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星、硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星。
出品:科普中國
制作:《科學(xué)世界》 雜志社
監(jiān)制:中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
你或許聽說過“暗物質(zhì)”吧?我們都知道身邊的物質(zhì)是由原子組成的,而原子又是由質(zhì)子、中子、電子等粒子組成。那么,暗物質(zhì)又是什么,由什么組成?它為什么那么重要,以至于各國科學(xué)家們,利用各種先進(jìn)儀器,在地下深處或是太空中夜以繼日地追尋著它的蹤跡?
為什么說存在著暗物質(zhì)?
既然我們身邊的事物都是由普通物質(zhì)組成的,那為什么還會認(rèn)為自然界中存在著暗物質(zhì)這種東西?
天文學(xué)家們是從20世紀(jì)30年代開始意識到宇宙中存在著看不見的暗物質(zhì)。1933年,瑞士的天文學(xué)家弗里茨?茲威基(Fritz Zwicky)對距離地球3.2億光年、由超過3000個(gè)星系組成的后發(fā)座星系團(tuán)進(jìn)行了觀測。
他采用了兩種不同的方法來測量星系團(tuán)的質(zhì)量。第一種方法是對大量星系的運(yùn)動速度進(jìn)行分析,因?yàn)樗俣扰c引力有關(guān),所以可以間接估計(jì)出星系團(tuán)的質(zhì) 量。用這個(gè)方法得到質(zhì)量稱為“力學(xué)質(zhì)量”。另一種方法是通過星系團(tuán)內(nèi)星系的亮度來估計(jì)質(zhì)量,因?yàn)楹阈琴|(zhì)量越大就越亮。這樣得到的質(zhì)量稱為“光度質(zhì)量”。按 說力學(xué)質(zhì)量和光度質(zhì)量應(yīng)該相近,然而實(shí)際得到的結(jié)果是,力學(xué)質(zhì)量比光度質(zhì)量高了400倍左右!也就是說,力學(xué)質(zhì)量里的絕大部分是我們看不到(不發(fā)光)的物 質(zhì)。如果沒有這部分“看不見的物質(zhì)”的作用,那么這個(gè)星系團(tuán)的引力就不足以將其中的星系像現(xiàn)在這樣束縛在一起。
到了20世紀(jì)70年代,美國天文學(xué)家薇拉?魯賓(Vera Rubin)使用基特峰天文臺和洛厄爾天文臺的望遠(yuǎn)鏡對距離地球約250萬光年的仙女座星系進(jìn)行觀測。她利用多普勒效應(yīng)測量了這個(gè)星系不同半徑處,圍繞著星系中心旋轉(zhuǎn)的氣體的運(yùn)動速度。按說,離中心越近,引力越大,運(yùn)動速度應(yīng)該越快才能產(chǎn)生足夠的離心力,抵消掉引力的影響。就像離太陽越近的行星,公轉(zhuǎn)速度 就越大。但魯賓也發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象:離星系中心不同距離處的氣體,圍繞中心旋轉(zhuǎn)的速度都差不多。她又觀測了其他星系,發(fā)現(xiàn)也是同樣的情況。魯賓由此認(rèn)為, 宇宙中存在著我們看不到的物質(zhì),為彌散于星系各處的氣體提供著引力。
20世紀(jì)80年代,科學(xué)家正式提出了“暗物質(zhì)”這個(gè)名稱?,F(xiàn)在普遍認(rèn)為,組成星系團(tuán)的質(zhì)量中,星系只占了百分之幾,星系際介質(zhì)約占20%,暗物 質(zhì)的比例則高達(dá)70%~80%。暗物質(zhì)的所謂“看不見”,不單單是說用我們的肉眼在可見光波段看不見,而是說不論探測什么波段的電磁波,比如紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等,都看不到它。也就是說,暗物質(zhì)不發(fā)出任何波段的光。
被淘汰的暗物質(zhì)候選者
暗物質(zhì)到底是什么,現(xiàn)在還不清楚。我們先來看看科學(xué)家已經(jīng)排除了哪些暗物質(zhì)的“候選者”吧。
人們首先想到暗物質(zhì)會不會是那些用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡很難發(fā)現(xiàn)的暗天體,例如行星、褐矮星、衰老的白矮星、中子星、黑洞等。但是所有暗天體加起來,也達(dá)不到星系總質(zhì)量的10%,不足以扮演暗物質(zhì)的重要角色。
那么,擴(kuò)大范圍,暗物質(zhì)是由原子組成的嗎?研究認(rèn)為,由原子構(gòu)成的物質(zhì)也不足暗物質(zhì)的1/5,依然無法滿足暗物質(zhì)所需要的量。在宇宙的早期可能 存在小型的“原初黑洞”,它們不是從原子組成的恒星演化而來的,所以并不能將之從暗物質(zhì)候選者中排除掉。但是原初黑洞是否真的存在現(xiàn)在還并不清楚。
子彈星系團(tuán)是由兩個(gè)星系團(tuán)碰撞而形成的??茖W(xué)家利用引力透鏡研究其質(zhì)量分布的變化發(fā)現(xiàn),暗物質(zhì)與其他物質(zhì)幾乎沒有相互作用,在碰撞的過程中會相 互穿越而過。這個(gè)性質(zhì)使人想到了中微子,它既不是原子組成的,也很難與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用,而且中微子數(shù)量龐大,每秒鐘都會有上百萬個(gè)中微子穿過我們的 身體。那么中微子是不是暗物質(zhì)呢?
20世紀(jì)70年代,科學(xué)家提出,宇宙中如果只有“可見物質(zhì)”的話,那么從宇宙誕生至今的這段時(shí)間里,就來不及形成現(xiàn)在所觀測到的宇宙中的某些結(jié) 構(gòu)。1985年,英國蘇塞克斯大學(xué)的卡洛斯?弗倫克(Carlos Frenk)團(tuán)隊(duì)提出,暗物質(zhì)對于宇宙中恒星和星系等小結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生起到了重要的作用:首先,由于偶然性,有些地方的暗物質(zhì)會聚集得多一些,所以引力更強(qiáng), 暗物質(zhì)就更易積聚,密度漸漸變大;接下來,由原子組成的物質(zhì)(氣體)也被引力拉過去,很快進(jìn)一步坍縮,生成恒星和星系等結(jié)構(gòu);然后,一些星系進(jìn)一步匯集, 形成星系團(tuán)。就這樣,在暗物質(zhì)的作用下,從星系到星系團(tuán),一步步形成了宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)。
但是上述方案的成立是有條件的,就是暗物質(zhì)必須是很“冷”的,這意味著它們是由低速的粒子構(gòu)成的。計(jì)算顯示,如果運(yùn)動的速度太大,粒子彌散的范 圍太廣,星系這樣的小尺度結(jié)構(gòu)就難以形成了。而中微子是以接近光速運(yùn)動的“熱”粒子,加上它的質(zhì)量也太小,因此也被從暗物質(zhì)的候選者中排除了。
子彈星系團(tuán)
這是NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡與錢德拉X射線天文衛(wèi)星、拉斯坎帕拉斯天文臺的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡捕捉到的子彈星系團(tuán)(1E0657-556)的合成 圖。在子彈星系團(tuán)內(nèi),兩個(gè)星系團(tuán)以每秒4500千米的速度相互碰撞。粉色代表用X射線觀測到的星系際氣體的分布。藍(lán)紫色代表星系團(tuán)的質(zhì)量分布,這也可以認(rèn) 為就是暗物質(zhì)的分布。這個(gè)質(zhì)量分布是利用子彈星系團(tuán)背后的天體所發(fā)出的光被星系團(tuán)的引力效應(yīng)彎折的現(xiàn)象推算出來的??梢钥闯?,氣體發(fā)生碰撞后停留在中心, 暗物質(zhì)則互相穿過。(圖:NASA等)
暗物質(zhì)的必要條件
現(xiàn)在我們來總結(jié)一下,看看要成為暗物質(zhì),都需要滿足哪些條件:
不發(fā)出任何光
幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生碰撞
在宇宙早期時(shí)速度幾乎是零
宇宙中存在的量大約是可見物質(zhì)的5倍
科學(xué)家認(rèn)為,滿足上述條件、有希望成為暗物質(zhì)的基本粒子有兩種:中輕微子(neutralino)和軸子(axion)。中輕微子是一種理論上預(yù)言的粒子,尚未被發(fā)現(xiàn)。它不帶電,質(zhì)量是質(zhì)子的1000倍左右,因?yàn)橘|(zhì)量大所以運(yùn)動得很慢。它既不發(fā)光,也很少與其他物質(zhì)發(fā)生碰撞。在宇宙中的數(shù)密度平 均是1000立方米1個(gè)。軸子也是一種理論上預(yù)言的粒子,它的質(zhì)量非常小,大約只有質(zhì)子的100萬億分之1。假如軸子就是暗物質(zhì)的的話,數(shù)密度可以達(dá)到 1000立方米1017個(gè)。從宇宙早期誕生時(shí)開始,軸子的速度就幾乎為零,這是因?yàn)樗鼛缀醪慌c其他粒子發(fā)生碰撞,也就無法得到能量。
尋找暗物質(zhì)
暗物質(zhì)是現(xiàn)代天文學(xué)和物理學(xué)的一大謎團(tuán)。世界上有很多科學(xué)團(tuán)隊(duì)在試圖找到它。實(shí)際上,暗物質(zhì)本身我們根本無法捕獲,只能從它與其他物質(zhì)偶然發(fā)生的碰撞所產(chǎn)生的蛛絲馬跡,來捕捉它的身影。
最直接的方法就是捕捉暗物質(zhì)與某個(gè)原子核相碰撞時(shí)發(fā)出的信號。例如我國的錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室,位于四川雅礱江錦屏山的隧道內(nèi),上方有厚達(dá) 2400米的巖石層,可以將穿透力極強(qiáng)的宇宙射線隔絕到只有地面水平的大約億分之一,為探測暗物質(zhì)提供了一個(gè)幾乎沒有干擾的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室使用的是我國自主設(shè)計(jì)的高純鍺探測器,測量暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時(shí)產(chǎn)生的熱。加拿大、美國、意大利、日本等國也建有尋找暗物質(zhì)的地下實(shí)驗(yàn)室。
錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室是世界上巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室
還有間接探測暗物質(zhì)的方法,就是捕捉暗物質(zhì)對互相碰撞、湮滅時(shí)產(chǎn)生的痕跡。當(dāng)一對暗物質(zhì)粒子偶然正碰的時(shí)候,會同時(shí)湮滅,可能會放出質(zhì)子、電子 及它們的反粒子、中微子和伽馬射線。如果能夠精確測量到這些粒子的能譜,就可能會發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的蹤影。例如丁肇中教授主持的阿爾法磁譜儀(AMS)實(shí) 驗(yàn),就是在太空中高精度地探測反物質(zhì)粒子的能譜,有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤影。2011年5月19日,奮進(jìn)號航天飛機(jī)將重達(dá)6.7噸的AMS-02探測器運(yùn)送 到國際空間站上,展開探測。我國有多個(gè)研究單位參與了這一項(xiàng)目。
國際空間站上的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)(照片中上部)
中國科學(xué)院計(jì)劃于2015年底左右發(fā)射一顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星,進(jìn)行暗物質(zhì)間接探測實(shí)驗(yàn)。這顆衛(wèi)星既能探測正負(fù)電子,又能夠觀測高能伽馬光子,而且具有較好的能量分辨率,希望能捕捉到暗物質(zhì)的蹤跡。
中科院的暗物質(zhì)衛(wèi)星
除了捕捉暗物質(zhì),科學(xué)家們還試圖人工制造出暗物質(zhì),例如中輕微子。目前最有希望制造出中輕微子的就是位于瑞士日內(nèi)瓦郊外地下的“大型強(qiáng)子對撞 機(jī)”(Large Hadron Collider,LHC)。2012年,科學(xué)家正是用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子。
暗物質(zhì)占宇宙組成的大約23%,另一種神秘的東西——暗能量占到了大約73%。也就是說,這個(gè)宇宙96%的組成我們都還不清楚到底是什么。暗物質(zhì)是恒星、星系等天體形成的種子,暗物質(zhì)是什么,直接關(guān)系著我們自身的起源。暗物質(zhì)之謎的解開,也將是粒子物理學(xué)的一次飛躍。
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