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#悟空卫星重大发现#意义重大!卫星“悟空”发现疑似暗物质踪迹

#悟空卫星重大发现#意义重大!卫星“悟空”发现疑似暗物质踪迹

▲资料图:暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)。

暗物质,一个人类追寻多年的宇宙魅影,最近被中国“悟空”发现了疑似踪迹。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。该成果于北京时间30日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。

“悟空”究竟看到了啥?

经过两年持续观测,“悟空”在1.4万亿电子伏特(TeV)的超高能谱段,“定位”了一束明显异于常态的电子宇宙射线。

“之前没有人发现过。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进解释,正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线,但根据“悟空”观测数据,这里突然出现了一处剧烈波动,划出一个“尖峰”,意味着此处必有“古怪”。

“现有的物理模型无法解释‘悟空’的最新发现。”《自然》审稿人、一位国际知名的理论物理学家这样评价。

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▲“悟空”首席科学家常进介绍暗物质粒子探测卫星的科学成果。

新发现是否就是科学家苦苦追寻的暗物质踪迹?中科院理论物理研究所所长吴岳良说,根据现有数据和理论模型无法做出断定,但这是“暗示了暗物质粒子存在的可能的新证据”。(新华社)

找到暗物质有啥意义?

当前主流科学界认为,人类已经发现的物质只占宇宙总物质量不足5%,剩余部分由暗物质和暗能量等构成。由于暗物质无法被直接观测,与物质相互作用也很弱,人类至今对它知之甚少。

暗物质的“真相”因此位列21世纪最重要的科学谜团之一。揭开暗物质之谜,被认为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,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

中科院院长白春礼说,基础科学从发现到应用往往动辄以百年为计量单位,而这种影响必然是颠覆性的。有了相对论和量子力学,才有了航天、半导体和互联网。作为当今世界最前沿的科学话题,相信暗物质发现的作用,不会亚于它们。

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▲“悟空”科学应用系统副总师范一中在介绍研究成果。

面对诱人前景,科学家在全球展开竞争,试图第一个找到暗物质的踪迹。天上,把强磁场设备送进太空;地下,深入几千米的大山建造实验室……科学家使出浑身解数,用上了多种探测手段,国际上的相关实验和设备多达数十个。

“‘悟空’用的是探测高能宇宙射线的方式,寻找暗物质粒子湮灭的间接证据。”常进说,根据理论模型,暗物质湮灭会产生高能伽马射线、高能电子等宇宙射线,一旦找到特定的高能宇宙射线,有望推断出暗物质的“庐山真面目”。

“悟空”得出数据后,研究人员为了排除分析方法可能产生的干扰,将初始数据分别交由4个中外团队独立分析计算,最后得出一致结论:在1.4TeV处确实出现了异常现象。

这是近年来科学家离暗物质最近的一次发现。常进说,如果进一步研究确认与暗物质相关,人类就可以沿着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。

“即便无法证明是暗物质的踪迹,‘悟空’也为全人类打开了观测宇宙的一扇新窗口。”常进说。(新华社)

暗物质发现对我们有什么用?

中国科学院紫金山天文台副台长常进表示,暗物质现在不会影响你的生活,但是将来会影响你的生活,将来还会影响你后代的生活。在100年前量子物理刚被发现时,人们认为一点用处都没有。但是现在,我们使用的手机、电脑等等都跟量子物理有关。我们只有弄清楚暗物质的物理本质以后,才能说它对未来产生什么作用。物理的进步会导致科技的进步,这是百分百肯定的。

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▲资料图。

香港大学物理系与空间科学实验室副教授苏萌表示,暗物质的研究现在看不到直接的经济回报,但是暗物质的探索代表了基础科学中人类对宇宙本原的追寻,是人类好奇心在驱动,跟经济生活中的商业模式完全不同。如果中国人参与解决这样重要的科学问题,今后人类在说起暗物质时会提到中国人的贡献,那是不是值不值得我们在今天投入一定的精力和人去做?在人类科学进程中,很少看到东方文化的影子。作为崛起的大国,中国发展到现在这个阶段,有能力和条件为人类文明进步做出贡献,在科学探索中留下中国人的脚印,我想这是中国科学家奋斗的意义和价值所在。(果壳网)

怎样才能找到暗物质?

由于暗物质既不发光,也不参与电磁作用,人们目前只能通过引力产生的效应感受到它的存在,但一直还没有确凿的证据说“这就是暗物质”。目前,世界上有很多科学团队在试图找到它。主要有三种方法:

第一种是利用粒子对撞设备,看能否在实验中产生暗物质,这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。

第二种是在很深的地下挖个大坑,在坑底放上精密仪器来探测暗物质。到地下去的目的是为了屏蔽空气中宇宙射线的影响。位于中国四川南部地底深处的锦屏地下实验室就是全球最深的暗物质探测实验室,已于2010年投入使用。

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▲资料图:暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)。

第三种是在太空进行间接探测,比如多国合作的阿尔法磁谱仪项目,“阿尔法磁谱仪2”自2011年被送至国际空间站后已分析了410亿个初级宇宙射线事件,结果显示暗物质可能存在。中国2015年12月17日发射的暗物质探测卫星“悟空”,也是在太空展开的探测行为。(新华社)

“悟空”到底有多厉害?

“悟空”于2015年12月17日发射成功,其采用中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子”两项关键技术指标处于世界领先水平,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常“尖锐”的能谱,即电子数目随能量突然发生变化的信号,是国际暗物质研究的重要一员。

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▲搭载暗物质粒子探测卫星“悟空”的长征二号丁运载火箭升空(2015年12月17日摄)。

据“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进研究员介绍,与费米卫星、阿尔法磁谱仪等国际上已有的空间暗物质探测装置相比,“悟空”有三个特点:

最高能——“悟空”的电子宇宙射线的能量测量范围显著提高。之前,利用气球实验或太空实验进行的直接测量最多只达到2TeV左右,而“悟空”能够检测最高约10TeV的宇宙线电子和正电子。

最纯净——能够最大限度地过滤掉宇宙射线的“杂音”,也就是其中混入的质子数量最少,测量到的TeV电子能谱的准确性高。

最精确——“悟空”对高能电子和伽马射线能量测量最准确。“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,即超高能电子数目出现了快速减少。常进表示,这与之前地面望远镜阵列实验的结果类似,但“悟空”的结果误差显著减小,置信度高。特别值得一提的是,“悟空”卫星的数据初步显示在1.4TeV能区存在能谱精细结构。常进解释,所谓“精细结构”就是“精确地观测到了电子数量忽然上升随后又下降的尖锐变化”,但“目前我们的数据量还不足以对其进行确认”。“悟空”运行良好,预期还将在轨运行至少3年持续收集数据,“一旦该精细结构得以确认,将是开创性发现”。(光明日报)

新闻拓展:什么是暗物质?

暗物质(Dark Matter)是天文学家为了解释宇宙中引力质量远大于发光物质质量的疑难,而引入的一类新物质。它大约占宇宙质量的27%,而普通物质只占5%。暗物质不发射、吸收、散射光子,也不参与电磁作用,它究竟是什么,目前还很神秘。

通俗点来说,你可以把它想象成把星系粘合在一起的“胶水”。你知道它就在那里,但不知道它是什么,也正因为它神秘又非常重要,暗物质也被称为“21世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云”之一。

暗物质是怎么被发现的?20世纪30年代初,美国加州理工学院的天体物理学家兹威基第一个发现,宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。

到了20世纪70年代,多种天文观测,比如盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等都显示了暗物质的存在。但直到现在还没有确定的暗物质信号被探测到。

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▲资料图。

虽然科学家们还不知道暗物质究竟由什么构成,但通过观测它如何影响普通物质,并模拟它的引力效应,还是对它有了一些了解:

——宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,它无法用任何光学或电磁观测设备直接“看”到。

——暗物质难以探测,还在于它密度小、速度快,难以捕捉。科学家测算,暗物质粒子每秒的运动速度为220千米,是56式半自动步枪子弹出膛速度的300倍。

——暗物质应该来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻,宇宙温度非常高,粒子能量非常强,它们剧烈碰撞,在这种相互作用下,包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

——宇宙的结构与暗物质有关。由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。暗物质播下了宇宙丝状结构的种子,随后可见物质才聚集在一些由暗物质建立起来的引力点上,并最终形成了星系。

——暗物质对生命来说是绝不可少的。假如没有暗物质的引力作用,我们所在的银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话,现在既没有太阳,也没有地球,更没有你我……(新华社)

(北京时间综合新华社、光明日报、果壳网)

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