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對比數據告訴你,中國的暗物質粒子探測衛星「悟空」到底有多牛?


2018年3月24日14時 今日科學 科普中國
科普中國

出品:科普中國

製作:衝出太陽系團隊

監製:中國科學院計算機網絡信息中心

「中國首顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星「悟空」(DAMPE)的第一篇科學論文於今日凌晨發布,宣布科研團隊獲得了世界上最精確的高能電子宇宙線能譜。

在天文學界和物理學界,有一個被科學家稱為世紀之謎的問題待解,這便是暗物質,它們合在一起的引力拉著太陽,使其不至於由於速度過高而飛離銀河系的中心。

暗物質

但是目前,研究暗物質的衛星卻屈指可數,間接探測暗物質的衛星主要有國際空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS)和美國的費米伽馬射線衛星以及我國的「悟空」暗物質粒子探測衛星,它們正努力地探尋暗物質存在的證據。

總體情況對比

阿爾法磁譜儀(Alpha- Magnetic Spectrometer,簡稱「AMS」)由諾貝爾獎獲獎者丁肇中先生領導、全球16個國家和地區的56個研究機構合作承擔的國際性大型科研項目,超過1500名科研人員參與該項目的研究工作。

阿爾法磁譜儀重達6700千克,中國多家單位參加了研製,其中,中國科學院高能物理研究所和中國運載火箭技術研究院與法國、義大利的兩個單位合作,研製了阿爾法磁譜儀電磁量能器,能夠測量能量高達TeV的電子和光子,是尋找暗物質的關鍵子探測器。

原計劃阿爾法磁譜儀由NASA的太空梭送入太空。但由於太空梭近年來事故的影響,使得發射時間一再推遲,一直到2011年5月16日,美國「奮進」號太空梭攜帶著中國參與製造的阿爾法磁譜儀,從佛羅里達州甘迺迪航天中心發射升空,前往國際空間站。

2011年5月16日,阿爾法磁譜儀發射升空

阿爾法磁譜儀運轉時間長,經費投入大,從「阿爾法磁譜儀1」到「阿爾法磁譜儀2」,中間相隔了整整13年,而僅僅後者就消耗20億美元。

費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope,原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST,大面積伽瑪射線太空望遠鏡)是在地球低軌道的伽馬射線天文學空間望遠鏡。

此望遠鏡包括大面積望遠鏡(LAT),它是用來進行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現象,如活躍星系核、脈衝星、其他高能輻射來源和暗物質。另外,該衛星搭載的伽瑪射線爆監視系統(Gamma-ray Burst Monitor,

GBM)可用來研究伽瑪射線暴。

GLAST在格林尼治標準時間2008年6月11日16:05由Delta II 7920-H火箭發射。本任務是由美國國家航空航天局、美國能源部、德國、法國、義大利、日本、瑞典政府機關聯合執行。

費米太空望遠鏡

暗物質粒子探測衛星(英文:Dark Matter Particle Explorer,縮寫:DAMPE)是中國科學院空間科學戰略性先導科技專項中首批立項研製的4顆科學實驗衛星之一,是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子探測衛星。

我國首顆天文衛星——暗物質粒子探測衛星「悟空」發射升空

「悟空」暗物質粒子探測衛星於2015年12月17日在酒泉衛星發射中心發射成功,是中國的首顆天文衛星。它由中科院微小衛星創新研究院抓總研製,中科院紫金山天文台等科研單位共同參加有效載荷、科學應用等工程項目研製工作。

暗物質衛星總設計師李華旺說,「悟空」的「火眼金睛」包含塑閃列陣探測器、矽列陣探測器、BGO能量器和中子探測器四個子載荷,能測高能粒子的能量、方向和電荷,並具備鑑別粒子的本領,從而有可能探測到暗物質粒子的存在。「悟空」將在頭兩年對全天掃描,之後根據探測結果,對暗物質最可能出現的區域定向觀測。

技術對比

阿爾法磁譜儀主結構的主體系外徑為1.3米,內徑為1.15米,高0.8米的空心高強度鋁製圓柱體。永磁體呈條狀插入主結構,其磁場強度高達1400高斯。主結構要求高精度,在生產及裝配過程中嚴格控制偏差,以使其與太空梭對接時不產生裝配應力。

阿爾法磁譜儀

費米太空望遠鏡GLAST有兩項科學載荷:大面積望遠鏡(Large Area Telescope, LAT)和伽瑪射線爆監視系統(Gamma-ray Burst Monitor, GBM)。大面積望遠鏡是可以偵測能量範圍 30 MeV - 300 GeV

的伽瑪射線成像偵測器(成對轉換儀器),視野是全天20%;LAT是康普頓伽瑪射線天文台搭載的高能伽瑪射線試驗望遠鏡的後繼者。

伽瑪射線爆監視系統是使用14個閃爍器(其中12個是碘化鈉晶體,偵測8keV至1MeV;另2個是鍺酸鉍晶體,偵測150keV至30MeV)的偵測器,可偵測全天空儀器能量範圍所有伽瑪射線。

費米太空望遠鏡

「悟空」暗物質粒子探測衛星的主要構成有塑閃陣列探測器(PSD),矽陣列探測器(STK)、電磁量能器(BGO)、中子探測器。PSD用作反符合,由兩層塑料閃爍體條組成;STK由6個徑跡雙層,每個由正交擺放的兩個單面矽條組成;有三層鎢板厚度分別為1cm、2mm、2mm,插在矽微條的第2、3、4層前面,用作光子轉換;BGO有14層,每層22根,相鄰兩層正交排列,用來測量射線的能量;中子探測器加在量能器的底部。BGO量能器和STK總共大約33個輻射長度,是空間裡最深的量能器。

"悟空"暗物質粒子探測衛星

研究成果對比

五年中,阿爾法磁譜儀AMS在國際空間站上收集的超過900億個宇宙線事例中,能夠明確分辨的包括3億個質子事件,1650萬電子事件,108萬正電子事件,349000個反質子事件(其中1000億電子伏以上的事件多達2200個),以及大批重核(直至鐵元素)事件。

這些結果提供了精準且出人意料的信息,推進了人類對宇宙線產生、加速以及傳播的認識,並為探測暗物質提供重要證據。尤為難得的是,AMS探測器以十億分之一的測量精度,探測到少量疑似反氦事件,使人類見到反物質宇宙探測的曙光。

費米太空望遠鏡的成果之一是它發現了CTA1超新星遺蹟內的中子星,科學家們發現該中子星只發射伽瑪射線,此種形式中子星是第一次發現。這顆新發現的中子星以316.86毫秒的周期脈動,距離地球約4600光年。

並且,據美國太空網報導,費米太空望遠鏡在2008年發射以來的一年觀測中,發現了最新的高能光線,從而證明了愛因斯坦關於光速理論的正確性。

費米射線太空望遠鏡天空圖

但是暗物質的實際觀測並不像我們想像中那樣容易,研究人員通過費米太空望遠鏡進行了長達7年的觀測。積累了7年的觀測數據聽起來好像有很多,但其中的觀測事例極為有限:在某個指定方向上,它每年大約只能觀測到兩次能量高於500GeV(1GeV=10億電子伏特,而1TeV=1萬億電子伏特)的宇宙線。

在28日的新聞發布會上,科學家們指出,與阿爾法磁譜儀、費米空間望遠鏡相比,「悟空」衛星的電子宇宙射線的能量測量範圍有顯著提高,拓展了我們觀察宇宙的窗口;同時,「悟空」衛星測量到的TeV電子的「純凈」程度最高(也就是其中混入的質子數量最少),能譜的準確性高;

「測得准、高效率、低本底」是「悟空」的目標。目前「悟空」衛星運行狀態良好,正持續收集數據,一旦該精細結構得以確證,將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。

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