“悟空”卫星探到寻找暗物质的突破口

2017-11-30 08:48 北京日报

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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

在天文和物理学界有一个被科学家称为世纪之谜的重大疑难问题——暗物质。此前科学家大量的研究表明,人类已知的普通物质仅占宇宙总能量的5%,而未知的暗物质则占据25%,还有70%是暗能量。为数众多的“暗物质”到底是什么?全球相关领域科学家充满了好奇,不断探索。日前,中国首颗探测暗物质粒子的卫星“悟空”传来重磅消息——“悟空”对高能电子能谱的精确观测发现了超出常规理论预期的新现象,可能和暗物质相关。

本次发布的首批科学成果基于“悟空”发射后持续探测发回的系列数据。 据悉,2015年12月17日发射的“悟空”卫星,用时530天共采集了约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV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电子宇宙射线探测结果,其中最令人惊喜的发现是,“悟空”的“火眼金睛”观测到了电子能谱的反常超出,可能是“暗物质”存在的证据。

发现寻找暗物质突破口——射线拐折

暗物质粒子探测卫星“悟空”首席科学家常进介绍,重磅的发现在于,“悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折,该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,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性作用。

“拐折”到底是什么意思?为什么科学家们对其如此看重?据研究团队多位专家解释,暗物质产生的电子宇宙射线信号有一个能量上限,到达这个限度值之后,在对应的能谱上,人们应该能够看到原本平缓延伸的线出现一个非常陡的下降,正所谓“拐折”。

但国际上此前的探测,并没有确认这个“拐折”的存在(有声称观测到迹象,但因为误差过大而存在争议)。因此寻找拐折,成为人们借以寻找暗物质的一个重要的突破口。

因为“悟空”的卓越性能,观测能段宽,观测精度高,这为暗物质探测打开了新的窗口。

“我们的确很幸运,我们找到了这个拐折!” 暗物质卫星科学应用系统副总师范一中说,我们不能确定这个拐折就一定是暗物质导致的,但“悟空”的精确测量结果有助于澄清在更低能量段是否有部分电子宇宙射线来自于暗物质。

为暗物质粒子存在提供了新证据

“科学领域常常有种瓜得豆的意外惊喜。” “悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在一个能谱精细结构,让常进和同事们异常激动。“目前我们拥有的数据还不够,‘悟空’卫星运行状态良好,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!”常进说。

去年五月份,常进的电脑上,在“拐折”之外,一个点突然跳了起来,呈现出一个尖锐能谱。此前,这样的尖锐能谱从未被发现过。

“这个迹象让我们所有人既惊喜,又担心。”范一中说,惊喜的是这会不会是重大科学发现的苗头?担心的是我们的数据是不是足够准确?从那时开始,团队几乎没有周末,加紧科研工作。“现在我们非常自信我们的测量结果,接下来就靠‘悟空’源源不断地将数据传回来,靠更多的数据进一步来验证我们的判断。”

范一中指出,假设经过3年至5年的观测,确认这个尖锐能谱中的信号是真实的,那么这个辐射源的性质将极其特殊。

这个尖锐能谱尽管目前不能百分之百确定就是暗物质,但“‘悟空’观察到的这个尖锐电子能谱为暗物质粒子存在提供了新证据。”中国科学院院士、理论物理学家吴岳良说。

这种超出人们预期的反常发现,在中科院院长白春礼看来,“它即便不是暗物质,也一定是重大科学新发现,其意义同样重大。这个发现完全是新的,根本没有被预测过,是我们首次发现!”

“有潜力改变我们看待宇宙的方式”

用“悟空”的观测数据,证明“暗物质”的存在。这一成果11月30日在《自然》(Nature)杂志在线发表。

“我们很激动可以参与到中国科学发现的旅程中来,我感谢‘悟空’团队让《自然》参与了这一旅程!” 《自然》杂志中国区科学总监印格致博士评价这一成果“有潜力改变我们看待宇宙的方式”,“展示了中国技术实力发展的一个里程碑”。“研究中实现的测量所需的精湛技术是无与伦比的,未来可能会帮助中国解决其他我们现在还想不到的技术挑战。”

尽管从眼下看,我们还无法确知发现了暗物质能给我们带来什么,但回顾历史,当年爱因斯坦也根本想不出量子力学和相对论在当时有什么应用价值。但是到了今天,人们用的手机、计算机,全部离不开这些科学发现。因此学界评价: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、量子力学之后,物理学理论的重大突破,将改变人类对整个宇宙的认知!

责任编辑:陈群(QT0001)  作者:张然

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