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【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

今天,

“悟空”刷爆了朋友圈!

难道是《大话西游》的新片儿?

不不不,

乃是中国首颗天文卫星的首批重要发现!

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

就在凌晨两点,

英国《自然》杂志悄然上线,

一篇科学论文震惊了中国和世界!

习近平总书记多次提及的“悟空”,

不负重托不辱使命,

暗物质粒子呼之欲出!

暗物质粒子探测卫星“悟空”第一篇科学论文在北京时间30日凌晨2点出版的国际学术期刊《自然》在线发表,我国科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果

首次披露:暗物质长什么样

1“悟空”打开暗物质观测的新窗口

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,“悟空”是世界首个可以在空间观测直至10TeV(1TeV=1万亿电子伏特)能量的电子和伽马射线探测器,打开了暗物质观测的新窗口,让人类寻找暗物质的旅程前进了一大步。

暗物质和暗能量被称为笼罩在现代物理学上空的“两朵乌云”,对暗物质的寻找和研究是粒子物理和天体物理领域最重大的问题之一。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

在如今的宇宙中,我们只弄清了5%,还有95%就是这些看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占约27%,接近70%的是暗能量。所以,发现暗物质,就自然成为了重大的科学前沿。

“悟空”的核心使命就是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。

据常进介绍,经过近两年的在轨运行,“悟空”共采集到约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV(1GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

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。

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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”。

2“悟空”的发现意味着什么

“悟空”最重要的发现就是首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,并发现在1.4TeV处存在能谱精细结构的迹象。

1TeV处的“拐折”意味着什么?

理论物理学家、中国科学院紫金山天文台研究员范一中介绍说,人类目前无法直接观测暗物质,只能通过探测电子宇宙线等间接手段来寻找暗物质的踪迹。

那么,如何区分电子宇宙线源,就成为探测暗物质的关键问题。范一中认为,解决这个问题可能就要靠“拐折”。这个“拐折”反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,如果能精确地了解其下降行为,对于判定能量低于1TeV的电子宇宙线是否来自暗物质起着关键性作用。

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高能宇宙射线正负电子能谱图。红色的点是“悟空”观测到的数据。图片来源:参考文献

1.4TeV处可能存在能谱精细结构说明什么?

理论物理学家、中国科学院大学常务副校长吴岳良院士认为,这提供了暗物质粒子存在的一个可能的新证据。当产生高能电子的这些源为邻近源时,可解释“悟空”探测到的在1.4TeV附近的尖锐能谱,其宽度决定邻近源的距离。

但是,这要求短暴源天体有不同于通常的幂律指数。因此,这个尖锐能谱最有可能是连续源的暗物质湮灭产生的,“但我们需要更多数据加以确定。如果未来我们能够确认这一精细结构,这将是暗物质存在的新证据”。吴岳良表示,这只是对“悟空”数据分析的一些初步结论,理论物理学家们将持续分析这些数据,“或许我们能得到更多新发现”。

3“悟空”有多牛?

“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。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

在暗物质粒子探测卫星“悟空”成果发布会上,中国科学院院长白春礼有些激动,他说:“也许在人类科学发展的历史上,大家会记住今天。因为中国科学家已经从自然科学前沿重大发现和理论的学习者、继承者、围观者,逐渐走到了舞台中央。”

“悟空”的成功,是中国科学家自主创新的结果。中国科学院国家空间中心主任吴季介绍,“悟空”曾经有两个卫星方案,一是将1.4吨探测器放在现成的卫星平台上,一是围绕载荷设计全新的卫星方案。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

11月27日,暗物质粒子探测卫星“悟空”首批科学成果新闻发布会在中国科学院举行。新华社记者金立旺摄

第一种方案简单,但卫星总重量将超过3吨,必须用更大型号的火箭。中国科学院上海卫星创新院的设计人员,创新性将卫星的所有服务设施都安装在探测器周围,仅仅增加了400公斤就实现了完整的卫星功能,使得载荷与整星的质量比达到了73%。吴季说:“这种设计在中国是第一次,在世界上也是少有的,也为中国科学卫星的研制提供了新思路。”

“悟空”的成功,体现了“集中力量办大事”的体制优势。卫星任务的圆满完成,需要火箭、发射场、测控、遥感等多部门的配合。任何一个环节出现短板,卫星都可能失灵。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

4探索“无人区”:中国瞄准人类科学前沿

“悟空”对暗物质的探寻,已经逐渐进入科学的“无人区”。但在“无人区”做一个“领跑者”,不是件容易的事。原创思想、技术实力,这些年来“悟空”研究团队没少被质疑。

上世纪90年代末,由于资金短缺,常进加入美国一个高能宇宙射线研究项目。起初,他的观测方法得不到美方同行的认同,经过反复模拟和实验验证,美方的南极气球项目终于采纳了他的方法,并在高能电子观测方面取得重要进展。

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“悟空”首席科学家常进在中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅介绍卫星工作情况(2015年12月24日摄)。新华社记者金立旺摄

时隔多年,美国团队中一位教授在国际学术会议上提到此事,还连连感慨:“中国的常教授当年给我们带来一个疯狂的想法,结果一举成功!”

“悟空”用的一个探测器关键芯片需要进口,但当时国外对中国禁运这类芯片。“悟空”研究团队从零开始,研究芯片、改装芯片,最终用自己的技术解决了这一问题。

“整天跟着别人屁股后面搞研究,谈何自主创新?”常进说,“中国的科研人员一定要有自信,外国的技术路线不见得比我们强,关键在于我们找到了正确方法后自己能否守得住。”

站在科学的最前沿,也让中国科学家赢得更多荣誉。“我们主导的研究发现,就能把自己的名字署在上面。”范一中说。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!

在中国科学院紫金山天文台,“悟空”科学应用系统副总师范一中在介绍研究成果(11月2日摄)。新华社记者金立旺摄

从卫星设计、测试起,以常进为首的“悟空”研究团队不断吸引国内外科研人员加入,目前已经形成了来自中国、瑞士、意大利等国,人数超过100名的多学科顶尖人才团队。

从深海载人技术到量子保密通信,从“天眼”到“悟空”,中国对科学和技术“无人区”的探索日渐成为常态。“聚沙成塔,国家实力不断增强,对基础研究不断重视,让以前不可能的事情成为现实,也让科学家有机会实现更伟大的梦想。”常进说。

【悟空卫星重大发现】师父,“悟空”火眼金睛,有了重大发现!发射前夕,通过征名活动,暗物质粒子探测卫星被命名为“悟空”(图片来自于网络)

有些同学说上面有些高端物理名词看不懂,

没关系,

下面这个灵魂科普包你看懂!

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