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暗物质粒子探测卫星“悟空”遨游太空一年
    时间:2017-2-20     点击率:853

编者按:20161231日,国家主席习近平通过中国国际广播电台、中央人民广播电台、中央电视台、中国国际电视台和互联网,发表二〇一七年新年贺词。他在在列举2016年重大进展时特别提到了“中国天眼”落成启用、“悟空”号在轨运行一年、“墨子号”飞向太空、“神舟十一号”和“天宫二号”遨游星汉等中科院的研究成果,并表示“这一切,让我们感到欣慰”。这里,让我们简要回顾一下“悟空”遨游太空一年的情形吧!

暗物质粒子探测卫星“悟空”遨游太空一年

20161217日,“悟空”在茫茫宇宙中迎来它的一周岁生日。这天的930分,紫金山天文台暗物质卫星监控大厅中,一群科学家为平稳运行一年的暗物质卫星“悟空”开了一场“生日宴会”。庆生之际,这只太空“猴子”也获得了年度考评双优的佳绩。在15-16日的“悟空”升空一周年学术年会上,所有参会的中外暗物质研究专家都给它的表现打了100分:(1)体检。在“悟空”的4个有效载荷中,塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器都100%正常工作,硅径迹探测器是99.85%正常工作(也大幅度优于原定的97.5%的指标)。(2)业绩。“悟空”迄今已完成全天区覆盖两次,共探测有效事例18亿个,其中探测到的超高能电子(5Gev-10Tev)数量已经达到100万个。它在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面都取得了重要进展。与会的专家指出:“7万多路探测粒子信道目前工作正常,备用的器件都没有用上,设计寿命3年,期望运行510年。同时,收集到目标粒子越来越多,绘制的能谱越来越稳定,有望早日取得突破性发现。”

暗物质粒子探测卫星“悟空”是中科院空间科学战略性先导科技专项首批立项研制的四颗科学实验卫星之一,是我国第一颗完全由中科院研制、生产的卫星,也是我国空间科学卫星系列的首发星。20151217日,“悟空”在酒泉卫星发射中心搭载“长征二号丁”运载火箭成功升空,由于暗物质可能存在于任何区域,“悟空”头两年将对全天扫描,探测暗物质存在的方位。两年后,根据全天区探测的分析结果,它将对暗物质最可能出现的区域开展定向观测。

20151217812分“悟空”在酒泉卫星发射中心成功发射

这只宇宙“猴子”的总质量是1.9吨,有效载荷质量1.4吨,它像是一个昂贵又复杂、倒立的四层蛋糕,工作在高约500千米的晨昏太阳同步轨道上。“悟空”在围绕地球旋转时,四层科学探测器将面朝太空,全面接受来自宇宙四面八方的高能电子和伽马射线。它每天平均观测500万个高能粒子,每天回传的数据量约16G。通过探测这些高能粒子的方向、能量以及电荷大小来间接寻找和研究暗物质粒子。所有收集到的科学数据将完整保存,并实时传回地面。首席专科学家、紫金山天文台副台长常进一再告诫他的研究团队:“空间项目有太多的不确定因素,而且卫星运行一天的费用高昂,一定要珍惜所有的观测数据,最大可能地发掘其潜能。”

“悟空”的首要科学目标是:通过高精度测量宇宙射线电子和伽马射线的能谱及空间分布探测暗物质湮灭或衰变的遗迹。暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。然而为什么有暗物质?什么形态?何种规律?人类仍然知之甚少。因此,科学界认为,揭开暗物质之谜,将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,人们认识自然规律的又一次重大飞跃。它可能让人类更加深刻认识,甚至颠覆人类对基本的物质构成的规律。“悟空”所以特别关注“超高能电子”,是因为它们可能来自于暗物质的湮灭。目前,世界上有数十项实验通过直接或间接的方法探测暗物质粒子。对比AMS等一大批探测手段,“悟空”具有3个世界之最的先天优势:最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领,因此有望在暗物质间接探测中取得重要成果。因此,“悟空”上天一年,所获取的高能TeV以上的观测数据相当于AMS510年的数据总量。

当然,科学家寻找暗物质的征程绝不平坦,甚至不排除无功而返的可能性。因为,尽管目前很多天文观测证据已经基本上比较肯定有暗物质的存在,但是人们在理论上还没有没弄清楚它究竟是什么东西?科学家只能通过排除法,或者说一步一步筛选,从一些可疑的迹象筛选。常进的研究团队有100多人,其中既有来自中科院紫金山天文台、中国科学技术大学、中科院兰州近代物理所、中科院高能物理所的中国科学家,还有来自瑞士日内瓦大学、意大利佩鲁贾大学和巴里大学等的国外合作者。一旦用“悟空”传回的原始数据勾勒出“伽马射线能谱”并能反映出谱线极段等特征信号,科学家就获得了暗物质粒子存在的强有力证据。

巡天飞行中的“悟空”

如今,地面数据接收、物理事例重建、处理分析等各项工作已经进入常态。“悟空”每天绕着地球转15圈,每当清晨和傍晚,它路过三亚、喀什、密云等地面数据接收站时,就将观测数据传回。这些数据先是汇总到北京怀柔的地面支撑系统,经过简单处理后,再传到紫金山天文台的科学应用系统。在中科院紫金山天文台办公楼三楼拐角,有一个不起眼的房间——暗物质与空间天文实验室,“悟空”捕捉的每一点信息,都传回这里校准、分析。完成标定和重建的1B数据成了被称为“2A”的高级数据,这些数据会分发到由上百个科学家组成的“DAMPE合作组”进行数据分析。数据分析工作是十分艰巨而复杂的:“悟空”每天传送回来500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,而目标光子的数量则要少很多。因此,要想研究电子和光子的分布,必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的本底信息。此外,粒子与能量信号并非一一对应。要把这成百上千路信号综合在一起,才能大致还原出目标粒子的电荷、运动方向等基本信息。粒子特征不一样,适用的方法也不一样。为提高准确率,研究团队一直在不断修正标定和重建的模板,到现在总共修改了4600多次。最复杂的一次,汇总了7万多路信号才还原出1个粒子轨迹的信息。幸运的是,“悟空”高分辨率的观测效果“比预想更好”,除了目前在不断积累“超高能电子”(现在的数据在以1天数百颗光子的速度累积着),它还只用一年时间就完成了一张全天伽马射线图。这是国际上仅有的3GeV辐射天图之一。

特别要提出的是,自201610月份以来,“悟空”频繁地捕捉到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线辐射,表明它开始处于新一轮活跃状态。天文学家告诉我们,宇宙中广泛存在着这类超大质量黑洞的天体,几乎在每个大星系的中心,都存在至少一个这样的黑洞,包括我们所处的银河系也同样如此。其中有些黑洞还在大量地“吞噬”着其周围物质,吞噬过程中物质聚集形成吸积盘并且产生强有力的喷流,从而它们表现得异常明亮。这一类天体称作活动星系核,它们占所有星系的比例不到10%CTA 102便是一个活动星系核,距离太阳系大约80亿光年,黑洞质量约8.5亿倍太阳质量。从1123日开始,“悟空”又记录到明显增强的伽马射线爆发现象,在1216日达到峰值。目前记录到的最高光子能量为约620亿电子伏特,相当于静止质子等效能量的66倍。CTA 102是“悟空”捕获的第一个“小妖”。借助其火眼金睛,相信在未来它必将抓获更多的各色宇宙“妖怪”,发现更多现有基本的物理知识“解释不了”的奇怪现象,为我们认识宇宙万象提供有力的帮助。

“十二五””期间,中科院在先导专项中将空间科学卫星计划作为最大的项目予以支持,研制了4颗科学卫星,这仅仅是起步。“十三五”及更远的中科院在空间科学探索领域的战略目标是:至2030年,我国要在宇宙的形成和演化、系外行星和地外生命的探索、太阳系的形成和演化、太阳活动及其对地球空间环境的影响等热点科学领域,通过系列科学卫星计划与任务以及“载人航天工程”相关科学计划,取得重大科学发现与创新突破,推动航天和相关高技术的跨越式发展。为了实现这一目标,中科院提出了23个空间科学计划,包括“黑洞探针”计划、“天体号脉”计划、“链锁”计划、和“火星探测”计划等,至2030年预期要发射总计20颗左右的科学卫星。

蓝图已经描好,未来正等待着我们去践行!

                                                 (何郁依据相关资料撰写)