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暗物质存在证据或带来物理理论框架创新
发布时间:2017-12-01 10:37:48    来源:新华网    责任编辑:黄勇霖

  11月30日,中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”卫星在轨运行前530天采集的数据在Nature杂志发表。“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。

  宇宙中暗物质比普通物质多5倍

  宇宙中有着沉默的大多数——暗物质和暗能量。天文观测表明暗物质比人类目前熟悉的普通物质要多5倍,其物理本质是目前国际上粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。

  20世纪30年代,世界各国科学家就开始对暗物质的探索,其存在已获大量天文观测和理论研究的支持,但其不属于粒子物理标准模型中的已知物质,因此理解暗物质属性是当代物理学面临的一大挑战,它也被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”。

  2015年12月17日,中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射升空,它的任务就是用“火眼金睛”帮助科学家寻找神秘的暗物质。

  “悟空号”升天以来,它在前530天共采集了约28亿例高能宇宙射线,其中包含约150万例25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据科研人员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。

  暗物质卫星工程首席科学家常进介绍,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”的观测数据,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”。这表明,此处必然有一个全新的物理现象。

  或将带来物理理论框架上的创新

  中国科学院院士白春礼表示,“悟空”卫星这次探测成果,基本可以确定拐折的存在,至于精细结构,等再过一年,搜集更多的数据后,仔细分析它的属性,届时或许会带来物理理论框架上的创新。

  “坦诚地说,去年4、5月份常进老师的电脑屏幕上展现出相关迹象的时候,我们是既激动,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我们能量测得不准。在那之后的一年里,紫台和中科大投入了大量的人力核查,几乎每个周末中科大的张云龙博士都要带队去紫金山天文台进行深入讨论。我们最后确信能量测量结果是可靠的。现在我们除了深入发展分析的方法,就是等待悟空号收集更多的数据。”暗物质卫星科学应用系统副总师范一中谈到这个精细结构时,声音都提高了。

  暗物质对人类的生活有什么意义?“我无法告诉你暗物质有什么意义,但科学上的每一次进步都会改变人类生活。量子力学发现时,没人知道会对人类生活产生什么影响,但现在每天的生活,玩手机、看电视这些活动都离不开100年前量子力学和相对论的发现。”常进说。

  ■ 揭秘

  火眼金睛的“悟空”卫星好用、经济

  带着揭秘“暗物质”任务的“悟空号”卫星,采用了中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,能实现对高能(5 GeV-10 TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测。

  “来自宇宙空间的粒子能谱根据我们已知的物理规律有其特定的分布,其分布规律是逐渐下降的。如果出现异常,必然有着新的物理原因。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。那么到空间去精确地探测高能电子能谱,就可能发现暗物质存在的蛛丝马迹。‘悟空号’瞄准这个方向。”中国科学院院士白春礼表示。

  1 看得清

  “悟空”卫星观测能段范围在5 GeV-10 TeV,这是什么概念?1 GeV等于10亿电子伏特,1TeV等于1万亿电子伏特,人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏特。相比于国外的空间探测设备,如美国宇航局费米太空望远镜的大面积相机,“悟空号”是目前世界上观测能段范围最宽的。

  2 找得准

  “悟空”卫星的动态范围达到100万倍。常进打了一个比方解释了100万倍,大能看到身高2米的人,小能看清他体内每一个血小板。此外,“悟空”累计探测超过35亿个高能宇宙射线,从中搜寻到100多个“奇异”电子,精准度相当于“在上千万人口的城市里找到特定的一个人”。

  3 经济型

  加持这些优点的“悟空号”还是一名“经济型”选手。据介绍,“悟空”卫星的检测成本是费米Fermi-LAT的七分之一,是阿尔法磁谱仪AMS-02的二十分之一。(记者 王俊)

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