“悟空”号卫星：拨开暗物质的“乌云”

暗物质粒子探测卫星“悟空”

"在过去的一年里，那只猴子没有让我们失望."春节过后，记者来到中国科学院紫金山天文台。天文台副主任兼暗物质粒子探测卫星首席科学家经常开门见山。

当举国欢庆春节时，天空中的“猴子”仍在500公里高的太阳同步轨道上奔跑，忙碌着。

截至2018年底，中国科学院紫金山天文台研制的中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”已经绕地球飞行了16597次，探测到55亿个宇宙射线粒子。

在同一时期，TeV(1TeV=1万亿电子伏)的累积观测数据相当于日本热量计电子望远镜和阿尔法磁谱仪在国际空间站实验的5倍以上，这意味着它至少已经完成了其他“同行”10年的工作。基于这些数据，研究人员成功地获得了世界上最精确的电子宇宙线探测结果。

无形和无形与我们息息相关。

20世纪30年代，科学家发现宇宙中的可见物质远远不足以将星系连接在一起形成星系团。如果没有一种神秘而不可见的物质，星系团早就解体了。科学家称这种看不见的神秘物质为“暗物质”。

到20世纪70年代，各种天文观测表明暗物质的存在。但到目前为止，还没有检测到确切的暗物质信号。

尽管科学家不知道暗物质实际上由什么组成，但他们仍然通过观察它如何影响普通物质并模拟其重力效应而对它有所了解。

宇宙95%以上是暗物质和暗能量，其中暗物质占26.8%。暗物质不发光，不发射电磁波，也不参与电磁相互作用。它不能被任何光学或电磁波观测设备直接“看到”。暗物质跑得非常快。科学家估计暗物质粒子的运动速度为每秒220公里，比56支半自动步枪的退出速度快300倍。

科学家推测暗物质起源于大爆炸。在早期宇宙的某个时期，宇宙的温度非常高，粒子能量非常大。它们剧烈碰撞，产生了包括暗物质在内的各种物质。

宇宙的结构也与暗物质有关。它是宇宙中普通物质在自身重力作用下形成特定结构的重要驱动力。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子，然后可见物质聚集在由暗物质建立的引力“核”上，最终形成了星系。

暗物质对生命更为重要。如果没有暗物质的引力作用，我们的银河系可能不会在大爆炸后的膨胀过程中形成。

暗物质是如此神秘，以至于我们投入了如此多的人和资源去寻找它，那么它的应用价值是什么呢？

“当时，爱因斯坦也想不出量子力学和相对论有什么应用价值，但是我们今天使用的通信设备，比如手机，哪一种可以与这些科学发现分开呢？”常进说。

“水晶棒”银猴王

2015年12月17日8时12分，我国长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射了中国科学卫星系列的第一颗星——悟空。卫星成功进入预定的转移轨道。这标志着中国空间科学探索研究的重要一步。

“这是中国科学家第一次将自己的高分辨率高能太空望远镜放入太空，”常进说。“它有望深刻改变人类的世界观，实现空间科学的重大突破。”

“悟空”比普通卫星小，“三围”分别为1.5米、1.5米和1.2米，像一盒银白色的方形蛋糕。“悟空”接收来自宇宙空间高能原子核、电子和伽马射线的信号。它是迄今为止世界上观测范围最广、能量分辨率最高的空间探测器。

中国科学院紫金山天文台研究员袁强说，世界上最著名的三个暗物质探测器是美国的费米卫星、AMS-02阿尔法磁谱仪和中国的悟空。这三者有各自的特点。AMS-02能区分阳性和阴性物质。费米探测器的面积很大，而我们的探测器分辨率最高。

常进说，“悟空”在观测能量范围、能量分辨率和粒子分辨能力方面都优于其他探测器。其观测能量范围是阿尔法磁谱仪的10倍，能量分辨率是同类国际探测器的3倍。然而，成本只有1亿美元，分别是费米和AMS-02的1/7和1/20。

以《西游记》中孙悟空的名字命名的卫星“悟空”，并没有携带金箍棒，而是携带了300多根“水晶棒”。

位于卫星核心的BGO能源装置包含308颗纵横交错的晶体，每颗2.5平方厘米，长60厘米，是世界上最长的BGO晶体。

这些漂亮的“晶体棒”可以测量入射粒子的能量。电子和质子与晶体相互作用，产生淋浴状淋浴状淋浴状淋浴，而电子和质子产生不同的淋浴状淋浴状形状，因此科学家可以区分质子和电子。

“年轻”并将继续在太空服务

每天早上和晚上，悟空都会经过中国。密云、喀什和三亚的三个数据接收站每天接收大约16G的数据。常进领导的团队将从积累的大量数据中分离出有价值的科学成果。

一年多前，常进的团队向世界展示了它的第一个成果:精确测量太空中电子宇宙射线的能谱。这项成果发表在2017年12月7日的国际权威学术期刊《自然》上。

电子宇宙线的正常能谱变化应该是一条平滑的曲线。根据悟空积累的观测数据，科学家发现电子能谱在0.9万亿电子伏处出现明显的扭结，初步迹象表明在1.4万亿电子伏的超高能段出现异常波动，在图上表现为“尖峰”。

这些结构只有在观测精度最好的时候才能看到。幸运的是，悟空做到了！0.9万亿电子伏特的电子能谱的扭结具有重要的天体物理学意义。它反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，并能对某些暗物质理论模型给出强约束。1.4万亿电子伏的异常波动甚至更加明显。然而，基于现有的数据和理论模型，仍然不可能确定这种现象是否是暗物质的痕迹。

袁强告诉记者，探测暗物质主要有三种方法:第一，对撞机，主要是欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机；第二是直接地下探测。中国正在四川省锦屏山地下实验室进行相关实验。第三是间接探测，主要是在空间。

“悟空”卫星是第三条路。物理学家认为高能粒子，如伽马射线、正电子和正电子、质子和中微子，将在暗物质粒子碰撞后产生。暗物质卫星可以精确探测这些粒子，并通过它们的能谱和空间分布找到它们存在的证据。

“悟空”的设计寿命为3年，现在已经过期，但它看起来仍然“年轻”。“经过评估，我们相信小悟空可以继续在太空服务，现在已经被批准延长他的工作时间两年。”袁强说。

特别声明:转载本文仅用于传播信息，并不代表本网站的观点或确认其内容的真实性。如果其他媒体、网站或个人从本网站转载，他们必须保留本网站注明的“来源”，并承担版权等法律责任。如果作者不希望被重印或联系重印费，请联系我们。