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寻找暗物质两年“悟空”来信:“俺老孙可能捉到妖了
2020-07-31 22:24:50

  暗物质探测又有了新的进展。伦敦时间11月29日,《自然》杂志在线发表了中国科学家的一项研究成果:利用“悟空”卫星获得了世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱,这将对判定能量低于1TeV(1TeV=1万亿电子伏特)的电子宇宙射线是否来自于暗物质起到关键作用,并有可能为暗物质的存在提供新证据。

  暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一。暗物质不发光,不发出电磁波,从来没有被直接“看”到过。中科院院士吴岳良说,根据最新天文观测结果,宇宙是由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成的。对于神秘的暗物质,科学家迫切想知道它到底是什么,对它们的研究很可能会引发科学上的革命。

  2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”发射成功,这是中科院空间科学战略先导专项的首发星。“悟空”卫星首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进说,“悟空”卫星是基于暗物质粒子湮灭或衰变的假设(即暗物质粒子的湮灭或衰变可以产生各种正、反粒子,这些粒子在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分)而工作的。“悟空”卫星便通过收集高能宇宙射线粒子和伽马射线光子,并分析其能谱和空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

  “悟空”使用了紫金山天文台自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能(5GeV—10TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测。“悟空”在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV(1GeV=10亿电子伏特)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电子宇宙射线探测结果。

  早在“悟空”上天之前,国际上已有一些空间探测器在尝试搜寻暗物质。但由于探测器规模或设计方案的限制,它们的探测能区相对较低,分辨率和粒子鉴别本领也有限。而“悟空”使用了创新的设计方案,既可探测低能区,也能探测高能区,是世界上第一台能在空间观测直至10TeV能量电子和伽马射线的仪器。

  现在“悟空”采集了大量高能电子宇宙射线,清晰地勾勒出电子宇宙射线在宽能量段的能谱行为,以高置信度观测到了能谱在TeV处的拐折行为,并且在1.4TeV能量处发现存在精细结构的迹象。

  中科院紫金山天文台研究员范一中说,电子能谱在高能区突然出现拐折,一定是有什么“源”影响了它。现在我们不能确定就是暗物质影响了它,但如果能够证明影响它的不是我们已知的物质,那就很有可能是暗物质了。

  2016年12月17日,在江苏南京紫金山天文台,一名科学家向记者展示通过暗物质粒子探测卫星“悟空”的观测数据完成的一张全天伽马射线图。新华社记者李响摄

  据常进介绍,与以前的测量结果相比,“悟空”的能量测量范围比其他空间项目显著提高,打开了宇宙观测新窗口;“悟空”测量到的TeV电子的“纯净”程度最高,能谱的准确性更高;“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的拐折,其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键作用。当然,“悟空”的科学发现有待理论物理学家做进一步的分析阐释。

  对于这次暗物质探测上的进展,常进兴奋地说,电子宇宙射线能谱在高能段出现了“引人瞩目的现象”。中科院院长白春礼则认为,“悟空”成果的取得,表明中国科学家已经从自然科学前沿理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央,中国科学家长期以来在基础科学前沿的投入和付出终于有了回报。

  质量却是宇宙中可见物质的5倍;

  它不发光不发热,

  却影响着宇宙的归宿。

  它是暗物质。

  关于“悟空”和暗物质的故事,

  请洗耳恭听。

银河系外部的旋转速度比理论计算值要高,暗示存在大量不发光的暗物质。图片来源于网络银河系外部的旋转速度比理论计算值要高,暗示存在大量不发光的暗物质。图片来源于网络

  上天入地寻找暗物质踪迹

  天文学上有两类测量天体质量的方法:光学方法和力学方法。光学方法测量的是天体的发光强度,由光强可以计算出发光物体的总质量;力学方法测量的是产生引力的物质总质量,这类方法包括旋转曲线、引力透镜等。

  以旋转曲线为例,一个天体环绕另外一个天体旋转的速度正比于中心天体的质量,质量越大,旋转速度越大。所以可以通过旋转速度的测量来计算中心天体的质量。这种方法得到的质量是引力质量,也就是天体的全部质量。研究发现,力学方法测到的质量总是大于光学方法测到的质量。这表明宇宙中的物质并不是都发光的,科学家把这部分不发光的物质叫做暗物质。天文观测表明,宇宙中的暗物质是普通物质的5倍多。通过实验来探测暗物质是当今的前沿热点课题,相关领域的突破将大大推进我们对宇宙的认识,包括宇宙的归宿是什么。

  据估计,平均1立方米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子。然而,要探测到它们并不容易。暗物质不带电荷,也没有电磁相互作用,能毫无阻碍地穿透障碍物,不着痕迹地从身边飞走。为了找到它们的“真身”科学家费尽了脑筋。

  科学家发现,有三种方法也许能找到暗物质的踪迹:直接探测、间接探测和对撞机探测。由于运动的暗物质与静止的原子核会发生碰撞,并将带电的原子核撞飞,直接探测的目标就是这些无缘无故被撞飞的原子核。大气中的带电粒子会干扰实验信号,所以这类实验通常需要在地下实验室进行。四川锦屏山地下实验室是世界上最深的地下实验室,在这里进行的CDEX、PandaX等试验已取得重要的科学成果。

  间接探测测量的是暗物质粒子的湮灭。世界上的物质都有反物质,例如电子的反物质是带正电的正电子。当物质与它们的反物质相遇时,两者会被摧毁,并产生巨大的能量。这个过程就叫做湮灭。作为一类特殊的物质,暗物质的反物质就是它本身。因此如果两个暗物质粒子相遇时,它们会因碰撞而消失,产生高能光子、中微子和其他带电高能粒子,如正电子、反质子。这些粒子会变成宇宙线在宇宙中高速穿梭。悟空卫星等宇宙线探测器就是通过探测这些特殊粒子,寻找暗物质的踪迹。

  对撞机上的高能粒子束对撞后也可能会产生暗物质粒子,而这些暗物质粒子携带的能量无法被对撞机的探测器探测到,表现在能谱上就是能量动量的“消失”。这就是对撞机探测的原理。这三种探测方法互为补充,相互印证。

  火眼金睛瞄准宇宙线粒子

  悟空号本质上是一个宇宙线探测器。它通过收集宇宙线的信息来寻找暗物质的蛛丝马迹。悟空号搭载的高能宇宙线探测器由四个子探测器组成,分别是塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器。这四个探测器就是悟空号的“火眼金睛”,可以精确测量宇宙线粒子携带的能量,入射角度等信息。其观测对象包括宇宙线正负电子、伽马射线、质子、氦核以及更重的核素宇宙线。

  悟空号的特点是研发成本相对较低,但性能先进。国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪(AMS-02)、费米卫星(Fermi-LAT)分别耗资20亿、7亿美金,悟空的全部费用仅仅是AMS-02的二十分之一。悟空号采用的是紫金

  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,使它在高能电子、伽马射线的能量测量准确度以及区分不同种类粒子两方面领先于世界同类探测器。这些优势赋予悟空号寻找尖锐能谱信号的强大能力,第一批数据结果也印证了这一点。

  悟空号于2015年12月17日发射成功。卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿个高能宇宙射线事例,其中包含约150万个25GeV(1GeV=10亿电子伏特)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电子宇宙射线探测结果。

  精确能谱或揭开暗物质面纱

  悟空号如何寻找暗物质?

  超新星爆发等剧烈的天体物理过程会形成高能电子。这些电子在宇宙中穿梭、互相碰撞、交换能量,形成了电子宇宙线背景。科学家将宇宙中这些电子的数量随能量的变化画成一张图,并将其称作能谱。根据对宇宙线加速机制的理论计算,可以得到一条由常规宇宙射线源产生的背景曲线。这条曲线较为平滑,在较低能部分电子数量较多,随着能量的升高,电子数量快速减少。而悟空号希望探测到的,则是叠加在这条曲线之上的“额外”宇宙射线粒子,这些粒子正是来自暗物质湮灭。

  其实,之前已经有空间探测器找到了疑似暗物质的蛛丝马迹。例如AMS-02和Fermi-LAT都发现,宇宙中特定能量段的电子会有所增多。表现在能谱上,则是宇宙线能谱曲线不再单调下降,而是叠加了一个“鼓包”。但是遗憾的是,它们只测量到了这个小“鼓包”的上升部分,也就是怎么鼓起来的部分,没有测量到这个“鼓包”是怎样下降的。

  相对于AMS-02、Fermi-LAT等探测器,悟空号对电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高。此外悟空号区分粒子种类,尤其是把电子事例从大量的质子事例中区分出来的能力非常强,让悟空号能探测到最为纯净和准确的高能电子能谱。

  在寻找暗物质的征途中,悟空号果然不负众望。它不但探测到与AMS-02和Fermi-LAT类似的能谱上升过程,还清楚地看到电子宇宙射线能谱在1TeV(1万亿电子伏特)处开始下降,也即完整地看到了“鼓包”上升和下降的整个过程。这对于理解这些特殊电子的起源非常重要。因为科学家已经构建了多种模型来描述暗物质的行为。这些模型预言了科学家观测到的宇宙线能谱“鼓包”:相似的能谱上升过程、各异的能谱下降过程。换句话说,只有精确探测到“鼓包”的下降过程,才能确定哪个模型更加接近暗物质粒子的本质。科学家接下来要做的,便是根据“鼓包”的下降过程,分析其物理本质到底是什么。

  此外,悟空号的观测还发现,能量为1.4TeV的宇宙线粒子会突然增多。这暗示着在该能量附近可能存在新物理。例如宇宙中可能存在着质量为1.4TeV左右的暗物质粒子或者某种奇特的天体可以加速出单一能量的高能电子。目前悟空号运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。


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