悟空卫星重大发现,据中国科学院公布,暗物质粒子探测卫星“悟空”有充分数据证实,在太空中测量到了电子宇宙射线的一处异常波动。这一波动此前从未被观测到,意味着中国科学家取得一项开创性发现,且有可能与暗物质相关。



“悟空”卫星的使命:寻找暗物质





什么是暗物质?简单来说,当太阳系围绕银河系中心旋转的速度太快时,天文学家设想,在银河系中除了可见物质之外,一定还有其他看不见的物质,它们合在一起的引力拉着太阳,使其不至于由于速度过高而飞离现在的位置,这些看不见的物质就被暂时称为暗物质。天文观测表明宇宙中的暗物质比人类目前熟悉的普通物质要多5倍,暗物质和暗能量占当今宇宙总能量密度的95%。发现暗物质,成为了重大的科学前沿。

中国于2015年12月17日成功发射的首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) 正是追捕暗物质这一妖魔鬼怪的“齐天大圣”。它的核心使命就是瞄准这一重大科学前沿,在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

根据目前理论物理学家的解释,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,将可能转换为高能电子,到空间去精确地探测高能电子能谱,就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。“悟空”卫星的科学思想和探测技术来自于暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进,他20年来始终关注天体高能粒子的能谱,并探索用最简洁和高效的办法直接获取能谱数据。“悟空”卫星采用了分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能电子、伽马射线的“经济适用型”观测。

“悟空”卫星需要观测多种高能粒子,这也是它遇到的最大挑战。值得高兴的是,在常进看来,“悟空”卫星工作表现几乎完美,到目前为止,卫星在轨将近 2年,所有探测器性能和刚发射时一样,保持100分的状态。

据常进介绍,与国外的空间探测设备相比,“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口。同时,“悟空”卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高,也就是其中混入的质子数量最少,能谱的准确性高。

“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗高能电子宇宙射线。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(能量低于1 TeV)电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

此外,“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。目前“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。

当去年“悟空”卫星的测量结果展现出相关迹象的时候,科学家们既激动,又担心。激动的是出现了重大发现的苗头,担心的是这个迹象是不是由于能量测的不准。之后一年的时间里,紫金山天文台和中科大投入了大量的人力核查,最后确信能量测量结果是可靠的。现在除了深入发展分析的方法,科研团队还在等待“悟空”卫星收集更多的数据。

“‘悟空’运行非常完美,我们还需要大量的测试和数据。”暗物质卫星科学应用系统副总设计师范一中告诉记者,“就我们探测到的整个能谱而言,还是可以引入一些简单的暗物质模型来拟合。但是暗物质如果真的湮灭或衰变,那么会发生在宇宙中的各个角落。因此其他天文观测也有一些限制,基于这些限制我们发现前面那样简单的暗物质模型已经受到了挑战。我们或者需要更复杂的暗物质模型,或者是天体物理源。这有待世界各国的科学家进行深入的研究。”



暗物质,有多神秘?





当我们仰望星空时,除了太阳、月亮、星星外,感觉宇宙空荡荡的。然而这只是一种错觉!

现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、宇宙膨胀行为的研究表明:宇宙的密度由约4.9%的普通物质,26.8%暗物质和68.3%的暗能量组成。

这是什么概念?也就是说,我们能看到的普通物质在整个宇宙中只占不到5%。剩下95.1%的宇宙组分,我们都看不到。

由于看不到,科学家们姑且称之为暗物质和暗能量。

这里所说的“看不见”,不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见,而是说不论探测什么波段的电磁波,比如无线电、红外线、紫外线、X射线等,都看不到它。也就是说,暗物质几乎不发出任何波段的电磁辐射。


曾经有这样一段话来形容暗物质:


科学家们深信,有一种神秘的物质,它们就像幽灵一样弥漫在我们每个人周围,它可以轻易穿过每个人的身体而又不被人察觉。

如此神秘而又重要的存在,让暗物质成为现代天文学和物理学的一大谜团。发现暗物质,成为重大科学前沿。暗物质带来的问题也因此被认为是“笼罩在当前物理学天空中的乌云”



暗物质 到底是什么???





暗物质(Dark Matter)是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质,比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。暗物质-暗能量是影响当今量子粒子物理+天体物理的‘两片乌云,’’暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质‘未来’的仪器可以直接观测得到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。暗物质中的‘暗物质粒子’的存在有可能是量子粒子物理的弱相互作用力的大质量重粒子的极化粒子类似于‘磁单极粒子’的跃迁线性粒子。

暗物质存在的最早证据来源于对矮椭球星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明:宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量,4.9%的重子物质,26.8%暗物质组成。

新计算机模型:暗物质并非由重粒子组成。 科学家1月29日在阿奇夫论文预印本网站上发表报告称,美国航空航天局的钱德拉X射线天文台的数据显示,以特定能量发出的超量X射线令图表上出现一个隆起。众所周知,X射线谱线能揭示暗物质的存在。暗物质是一种未知的物质,科学家认为宇宙绝大部分由其构成。







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