科學也可以如此靠近

取得真經!中國連夜宣布重大發現,「悟空」用火眼金睛看到了暗物質!


2018年3月25日17時 今日科學 鎂客網
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在天文學界和物理學界,或者對於所有人來說,大家都普遍對一個東西感興趣,那就是被賦予「神秘又恐怖感」的——暗物質。

但是,暗物質究竟是個啥?它能幹什麼?找到它,我們又能幹什麼?

11月30日,國際權威學術期刊《自然》在線發表了中國首顆暗物質探測衛星「悟空」的首批成果:

一、「悟空」首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在1 TeV處(1GeV=10億電子伏特)的拐折,極大的提高了部分電子宇宙射線是來自於暗物質的湮滅的可能性;

二、宇宙線高能電子約在1.4TeV附近呈現出尖銳的能譜,為暗物質粒子存在的可能性提供了新證據。

簡單來說,就是數據不正常,所以,一定存在讓數據不正常的東西。科學家認為,這個東西就是「暗物質」。

暗物質從哪來?

20世紀,科學家「驚恐」的發現,宇宙正在不斷的膨脹!而且還發現了一個被稱之為「宇宙微波背景輻射」的東西!

機智的科學家們立即意識到,一個巨大的挑戰正在向他們靠近。所謂知己知彼,百戰不殆,科學家們首先的攻克對象,就選擇了這個「宇宙微波背景輻射」。

令科學家驚喜的是,通過「宇宙微波背景輻射」,他們成功的推斷出了宇宙的年齡、能量密度和膨脹速度。

但是,問題又來了,現知的物質及其產生的引力效應根本不可能促使宇宙進化成現在的樣子,因為宇宙的引力效應比已知粒子的引力效應要大的多。

那究竟是誰在背後拉動了另一個「引力」繩索,在沒有找到這個幕後大BOSS之前,科學家便給了它一個「暗黑」的名字——暗物質。

以銀河係為例,眾所周知,銀河系的所有星體和氣體等都是因引力聚集在一起的,且圍繞著星系的中心旋轉。根據牛頓力學理論,恆星等物質圍繞星系中心的旋轉速度與星系的質量以及里星系中心的距離有關。在超出一個範圍之後,這些物質離星系中心越遠,旋轉的速度應該就越慢。

但實際情況顯然不是這樣的,銀河系中,在超出上述的範圍後,不論這些星體距離星系中心有多遠,它們的旋轉速度都差不多。而根據現在科學家探測到的銀河系中的星體、黑洞、氣體等的質量和引力,其總合根本不可能讓銀河系中的星體旋轉的那麼快,甚至都無法聚集成一個星系。也就是說,實際星系的質量比我們想像中的要大的多!因為只有在質量足夠大的情況下,才能拉住星系中所有高速旋轉的星體。

因此,科學家斷定,一定還存在著一種我們還未探測到的物質,它「隱身」於宇宙中的各個角落,它的力量非常的大,用一雙無形的手造就了這一「詭異」的現象。通過對現有觀測儀器及相關天文、物理研究,科學家推斷,宇宙的密度可能有26.8%是暗物質組成,這一比例,超過了總數的四分之一!

為什麼我們這麼熱衷於發現暗物質

那麼,既然暗物質的占比這麼多,為什麼我們看不到它呢?

科學家給出的解釋是:「暗物質」不發光、不帶電荷、不與其他物質發生除引力以外的任何作用。而我們的天文探測器,都是基於電磁波技術進行太空探測的,所以,我們完全看不到暗物質,也根本不知道暗物質是由哪些東西組成的

但顯然,大多數人還是認可暗物質是確實存在的。然而,目前人類並沒有可以直接觀測到它的探測器,我們為什麼還要這麼熱衷於暗物質的發現呢?

上面我們曾提到,科學家就是通過對「宇宙微波背景輻射」的探索,推斷出了宇宙的年齡、能量密度和膨脹速度的。所以說,探測暗物質對於探索宇宙的起源及對基礎物理學研究有著重大意義。科學界公認,揭開暗物質之謎,將是日星說、引力定律、相對論及量子力學之後的一次重大飛躍,將帶來物理學的又一次革命。

怎麼才能「看到」暗物質?

目前,探測暗物質的方法主要有三種,直接探測、間接探測和加速器探測。而中國,在直接探測和間接探測方面,都走在了世界前列。

據了解,直接探測方面,我國已經啟動了「熊貓暗物質探測計劃」,在四川錦屏山2400米的山體深處建造了重達500公斤的液態氙探測器,通過檢測暗物質撞擊液態氙產生的能量來感知和證明暗物質的存在。

而此次立下大功、轟動了物理學界和天文學界的「悟空」,就是通過間接探測的方式,為暗物質的存在提供了進一步的證據。

2015年12月17日,中國首顆暗物質粒子探測衛星——「悟空」在酒泉成功發射升空,用以監測暗物質粒子湮滅或衰變後所產生的高能粒子,如伽馬射線等。科學家介紹說,之所以為其命名「悟空」,就是希望它能夠在太空中使出「火眼金睛」的本事,發現暗物質的蛛絲馬跡。

據了解,「悟空」在進入太空的第一年,就捕獲了18億個粒子,其中包括了超過2000萬的高能電子。如果將宇宙比喻為一個金礦,那麼「悟空」所探測到的18億粒子中,絕大部分都是無用的普通石頭,而這2000萬高能電子,則很可能是含金量非常高的金礦石。

也就是說,我們只有通過這些高能電子,才有可能探測到暗物質。

目前,「悟空」的粒子識別能力是國際上同類探測器中最強的,在軌運行530天後,「悟空」共採集了約28億顆高能宇宙射線,其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。

基於這些數據,科學家成功繪製出了高精度宇宙射線電子能譜,如果能譜上出現了奇特結構,就很有可能是暗物質的信號。

「悟空」首席科學家、中國科學院紫金山天文台副台長常進表示,正常的電子宇宙射線能譜變化應是一條平滑的曲線。而根據「悟空」積累的觀測數據,科學家們發現,在1.4萬億電子伏特(TeV)的超高能譜段中突然出現劇烈波動,反映在圖上是一個「尖峰」。

因而,我們可以推斷,宇宙中存在著質量為1.4萬億電子伏左右的新物理粒子,它可能就是我們尋找了很久的暗物質。當然,也有可能是宇宙中還存在著一個更為奇特的天體,這就需要科學家繼續去探索了。

最後

通過「悟空」提供的數據所繪製的電子能譜,其精度在世界範圍內都是頂級的。可以說,與美國的「費米」衛星和丁肇中先生領導的「阿爾法磁譜儀」的測量結果相比,「悟空」的觀測能斷範圍最寬、解析度最高、能譜結構特徵也最為清楚。

「悟空」的火眼金睛發現了此前從未發現的奇特現象,極大地推動了宇宙起源研究和天文物理學的探索進程。或許在未來,當暗物質謎團徹底被揭開之時,我們就會知道,真實的世界到底是什麼樣子的


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