- 暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”探天再立新功
國慶期間,中科院紫金山天文臺(tái)內(nèi)暗物質(zhì)衛(wèi)星監(jiān)控大廳內(nèi),仍有科研人員在加班。當(dāng)全國上下都沉浸在國慶的氛圍中,作為我國第一顆天文衛(wèi)星“悟空”依舊奔跑在500公里高的太陽同步軌道上,忙忙碌碌。
“快四年了,那只猴子沒有讓我們失望過。”暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)說,近日,它又給大家?guī)砹诵碌捏@喜。基于前兩年半的數(shù)據(jù),“悟空”在國際上首次利用空間實(shí)驗(yàn)精確繪出高能質(zhì)子宇宙射線能譜,并觀察到能譜新結(jié)構(gòu)。這一成果的科學(xué)意義和極限的想象空間在哪里?記者專訪了科研團(tuán)隊(duì)為公眾揭秘。
指引人類找到一處宇宙線源
宇宙線是什么?自1912年發(fā)現(xiàn)宇宙線以來,其起源與加速機(jī)制之謎至今未能解開。
現(xiàn)實(shí)中,大氣層保護(hù)之下的人類,只能從絢爛的極光里感受到它存在。事實(shí)上,地球每時(shí)每刻都與它“親密接觸”,在海平面處,每個(gè)硬幣大小的面積上平均每分鐘就有一個(gè)宇宙線粒子穿過,對比地面能量最高的粒子加速器,宇宙線的威力是前者的1000萬倍……
經(jīng)受了兩年半時(shí)間、上億次的轟擊之后,悟空“攔截”下了2000萬顆高能質(zhì)子宇宙線,繪制了一張最高能量達(dá)100TeV(1TeV=1萬億電子伏特)的宇宙線能譜圖??蒲腥藛T在這張圖上看到質(zhì)子流量先上升、后下降的“拐折”結(jié)構(gòu),這到底意味著什么?
“這樣的結(jié)構(gòu),尤其是后半段的下降結(jié)構(gòu),在以前地面、空間觀測中都未曾發(fā)現(xiàn)。這很大程度上是由于與國際同類探測器比較,悟空在高能段的測量性能優(yōu)勢明顯,讓我們看得更清楚,看到了前人未曾看見的現(xiàn)象。”負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的暗物質(zhì)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員岳川說。
除了因精度更高打開的新視野,科學(xué)家進(jìn)一步分析推測該“拐折”結(jié)構(gòu)可能是某個(gè)鄰近地球的宇宙線源留下的印記。
暗物質(zhì)衛(wèi)星項(xiàng)目組成員、中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)說:“如果宇宙射線源均勻地分布在銀河系中,我們應(yīng)該看到平滑的能譜。之所以出現(xiàn)拐折,很可能是由于地球正好毗鄰某個(gè)宇宙線源。”
科研人員說,空間探測器受限于“個(gè)頭”太小,能夠接收的數(shù)據(jù)有限,而地面探測器則可以達(dá)到很大規(guī)模,記錄下更多的數(shù)據(jù)。此次研究的意義還在于,可以通過這一觀測結(jié)果為下一階段地面宇宙線研究指明方向。如果后續(xù)研究可以積累更多的數(shù)據(jù),我們有望直接定位這一鄰近的宇宙線源。
指導(dǎo)研制更高能量粒子加速器
自1912年被發(fā)現(xiàn)以來,宇宙線便不斷給人類送來打開微觀世界的鑰匙。通過研究宇宙線,人類發(fā)現(xiàn)了正電子、子、介子等重要粒子,相關(guān)研究也多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。2012年,歐洲核子中心借由目前世界最大的粒子對撞機(jī)——大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。
追求“更高能、更細(xì)微、更強(qiáng)大”,高能物理學(xué)家有著不輸運(yùn)動(dòng)員的競技精神。國內(nèi)外科學(xué)家建造了數(shù)臺(tái)粒子加速器,試圖破解物質(zhì)更深層次結(jié)構(gòu)和更基本的相互作用規(guī)律。然而,宇宙總能輕而易舉地將人類“秒殺”。來自于銀河系外的最高能量的宇宙線,能量超過10的20次方電子伏特,幾乎是北京正負(fù)電子對撞機(jī)所能加速出粒子能量的1000億倍。
到底是怎樣的加速機(jī)制,讓“微觀粒子”擁有相當(dāng)于“宏觀物體”的能量?科學(xué)家大膽設(shè)想,探究宇宙線的粒子加速原理,或可用于指導(dǎo)人類研制更高能量的粒子加速器。而由“悟空”參與其中的宇宙線研究,或?qū)⑹刮锢韺W(xué)煥發(fā)新的活力。
“宇宙線源相當(dāng)于一個(gè)天然的超級(jí)粒子加速器。既然人造對撞機(jī)填上了標(biāo)準(zhǔn)模型的空白,那么大膽設(shè)想,探究宇宙線中的高能粒子,很可能帶我們打開現(xiàn)有物理模型之外的新世界。”中科院紫金山天文臺(tái)研究員范一中說。
袁強(qiáng)認(rèn)為,人類研制加速器,每突破一個(gè)能量級(jí)別,技術(shù)難度和成本會(huì)指數(shù)級(jí)增加。因此,借助宇宙線研究極高能粒子,探究宇宙線的加速機(jī)制,有望拓展人類對物理規(guī)律的認(rèn)識(shí),獲得超越加速器的突破性成就。
“悟空”將超期服役至2020年
“悟空”是我國發(fā)射的第一顆天文衛(wèi)星,于2015年12月17日升空工作,原計(jì)劃在天運(yùn)行3年。已經(jīng)超期服役的“悟空”如今性能如何?
據(jù)了解,2017年以來,“悟空”相繼在電子、質(zhì)子宇宙線測量方面取得突破性進(jìn)展,標(biāo)志著我國空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。接下來,“悟空”合作組還將陸續(xù)發(fā)表更重的核素能譜測量結(jié)果,可望發(fā)現(xiàn)不同宇宙線核素能譜拐折結(jié)構(gòu)規(guī)律,這將進(jìn)一步揭示高能宇宙線的加速機(jī)制和與星際介質(zhì)的相互作用等物理問題。
暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)說,衛(wèi)星在軌運(yùn)行近4年來,各有效載荷運(yùn)行良好,已總計(jì)獲取約70億個(gè)粒子的信息,關(guān)鍵科學(xué)工作正在持續(xù)推進(jìn)。從此次最新的研究成果來看,與國際同類探測器比較,“悟空”繪出的質(zhì)子宇宙線能譜,在1-100TeV能段精度最高,其能量上限,比著名物理學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)高出約50倍,比日本學(xué)者領(lǐng)銜的量能器電子望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)高出10倍。
“悟空將延期服役至2020年,同時(shí)我們也已經(jīng)在為下一代空間高能伽馬和粒子探測實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。”范一中透露,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在開展關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研,新的探測器將改進(jìn)設(shè)計(jì),強(qiáng)化低能粒子篩選能力和伽馬射線探測能力等,預(yù)計(jì)總探測效能達(dá)到目前的10倍以上。(編輯:鄧靈 責(zé)編:李少華 三審:張文凱)
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