“悟空”巡天 有望揭開暗物質(zhì)神秘面紗
“十三五”成就巡禮
過去的幾天，當全國上下都在慶祝國慶、中秋佳節(jié)時，天上那只“猴子”依舊奔跑在太陽同步軌道上，忙忙碌碌。
而500公里之下的中國科學院紫金山天文臺“悟空”號科研團隊，在首席科學家常進院士的帶領下也沒閑著，正在深入分析宇宙線和伽馬射線數(shù)據(jù)。
從2015年12月20日接收到第一幀數(shù)傳數(shù)據(jù)，至2020年9月30日，“悟空”號衛(wèi)星已在軌飛行1746天，完成了全天區(qū)的第9遍掃描，共探測并處理了約86.9億個高能粒子。
“‘悟空’號的設計壽命為3年，目前探測器及衛(wèi)星平臺運行狀態(tài)良好，已于2019年1月正式進行首次延壽運行，為期2年?；谖蚩仗柲壳皟?yōu)異的工作狀態(tài)，有望于2021年1月再次延壽運行?！眻F隊負責人之一、范一中研究員告訴科技日報記者。
美猴王的“水晶棒”將撥開暗物質(zhì)“烏云”
2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空。
“這是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨率高能空間望遠鏡?！背＿M說，“它有望深刻地改變?nèi)祟惖挠钪嬗^，實現(xiàn)空間科學重大突破?！?/p>
“悟空”的使命是尋找宇宙暗物質(zhì)。科學家推測，宇宙中95%以上是暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占26.8%。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無法用任何光學或電磁波觀測設備直接“看”到。
人類探測暗物質(zhì)的方式主要分為三類：一是對撞機探測，主要有歐洲核子中心的大型強子對撞機；二是在地下進行的直接探測，我國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展相關實驗；三是間接探測，主要在空間進行。
“悟空”衛(wèi)星就是采用第三種方式。物理學家們認為，暗物質(zhì)粒子碰撞后會產(chǎn)生高能粒子，如伽馬射線、正負電子、正反質(zhì)子、中微子等。暗物質(zhì)衛(wèi)星能精確探測這些粒子，通過其能譜、空間分布來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
目前，國際上有三個著名的暗物質(zhì)探測器，“悟空”是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測器。
以《西游記》中美猴王的名字命名的衛(wèi)星“悟空”，沒有攜帶金箍棒，卻帶了300多根“水晶棒”。
“悟空”衛(wèi)星的BGO能量器包含308根縱橫交錯的晶體，每一根都有2.5厘米見方、60厘米長，是世界最長的BGO晶體。這些漂亮的“水晶棒”能夠測量入射粒子的能量，從而獲取宇宙粒子的蛛絲馬跡。
“年富力強”的“悟空”還將繼續(xù)服役
每天清晨和傍晚，“悟空”都會路過中國上空。位于密云、喀什、三亞的三個數(shù)據(jù)接收站，每天要接收它回傳的約16G數(shù)據(jù)。而“悟空”號科研團隊就是要從日積月累的海量數(shù)據(jù)中分析出有價值的科學成果。
早在2017年，“悟空”號科研團隊就已向世界展示出首批成果：精確測量的太空中的電子宇宙射線能譜。2019年，團隊再次公布了對質(zhì)子宇宙射線能譜的精確測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)能譜上存在一處新的結(jié)構(gòu)?？茖W家們推測，這可能是鄰近某宇宙射線源的印記。
科學家從宇宙射線能譜中得出的判斷是否準確，有兩個相關因素：一是累積的數(shù)據(jù)量，二是背景的干擾性。數(shù)據(jù)量當然多多益善，而背景干擾則是越低越好。
因此，常進院士的生活規(guī)律就是早上醒來先看前一天衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總結(jié)報告，每晚看完當天已下載數(shù)據(jù)的分析才能入眠。
目前，“悟空”號科研團隊正開展氦核宇宙射線能譜分析?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)氦核能譜也存在類似質(zhì)子譜的拐折結(jié)構(gòu)，這為我們進一步理解宇宙射線起源這一世紀謎題提供了重要數(shù)據(jù)。”紫金山天文臺袁強研究員告訴記者。
此外，“悟空”號團隊還在伽馬射線數(shù)據(jù)中搜尋暗物質(zhì)信號，并正積極推動下一代暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星——“甚大面積伽馬射線空間望遠鏡（VLAST）”的關鍵技術攻關。
據(jù)范一中介紹，“悟空”設計壽命為3年，目前已經(jīng)超期服役近2年，但它看起來依舊“年富力強”，有望再次延長工作時間。
本報記者 張 曄