“超级视网膜”助暗物质卫星“悟空”炼就“火眼金睛”
2015-12-19 14:15:00   来源:中国科技网
内容摘要
“悟空”暗物质粒子探测卫星,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。600毫米长的BGO(锗酸铋)晶体好比卫星的“超级视网膜”,它能帮助“悟空”准确收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子。

中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”日前成功发射升空。600毫米长的BGO(锗酸铋)晶体好比卫星的“超级视网膜”,它能帮助“悟空”准确收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子,用“火眼金睛”窥探宇宙中披着“隐身衣”的神秘暗物质。

据了解,“悟空”是国际上已知观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,也是中国历史上首颗大型空间探测装置。中科院上海硅酸盐所科研人员为该卫星的研制提供了初样和正样共计640根600毫米BGO晶体,为中国暗物质粒子探测卫星有效载荷的成功研制及其发射提供了重要保障。

中科院上海硅酸盐所陈俊锋博士介绍,“悟空”最核心的载荷是由尺寸为25×25×600立方毫米的BGO晶体和光电倍增管构成的BGO量能器。在整个卫星有效载荷中,BGO晶体的质量占比高达59%,因此,“悟空”也可以被看做“BGO晶体卫星”。

BGO晶体,是与可能的暗物质粒子湮灭产物——高能宇宙线粒子和伽马射线光子作用的直接媒介。陈俊锋表示,由其构建的BGO量能器具有三大突出优点:第一,采用双端读出设计,信号互为备份,可大幅提高系统的稳定性、可靠性;第二,芯片用量和电子学通路数大大减少,相应功耗也显著降低;第三,有效载荷功耗和质量大幅下降。

600毫米长晶体,是卫星有效载荷BGO量能器的唯一候选探测材料。此前,BGO晶体在核医学、粒子物理、核物理、天体物理和石油测井等辐射探测领域应用广泛,但国际上已知最长BGO晶体仅有400毫米,离600毫米还有很大差距。

目前,中科院上海硅酸盐所是世界上能研制并量产600毫米超长BGO晶体的唯一供应商,并保持着生长BGO晶体长度的世界纪录。


中国暗物质粒子探测卫星发射成功

搭载着暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭,2015年12月17日早8时12分在中国酒泉卫星发射中心发射升空,之后顺利进入预定轨道。此次发射任务的圆满完成,标志着中国空间科学探测研究迈出重要一步。

这颗被命名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星,是中科院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。卫星上装载的暗物质粒子探测器,将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务,探寻暗物质存在的证据,研究暗物质特性与空间分布规律。

据暗物质粒子探测卫星首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进介绍,暗物质粒子探测卫星工作轨道为高约500千米的晨昏太阳同步轨道,每天平均观测500万个高能粒子,每天回传的数据量约16G,相当于一部高清电影的数据量。卫星根据任务需求,采用BGO量能器结合硅阵列探测器和塑闪阵列探测器,完成高能粒子能量、方向、电荷的测量,并以中子探测器提高电子与质子鉴别率。

暗物质粒子探测卫星是中国第一颗由中科院完全研制、生产的卫星,中科院国家空间科学中心负责卫星工程的总体工作。卫星是2011年立项论证,2012年进入工程研制阶段,卫星入轨后预计运行寿命为3年。空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季透露,除暗物质粒子探测卫星外,空间科学先导专项系列卫星工程近期还将陆续发射三颗卫星,分别是量子科学实验卫星、实践十号返回式科学试验卫星、硬X射线调制望远镜卫星。

据悉,用于此次发射的运载火箭,由中国航天科技集团所属上海航天技术研究院负责研制。这是长征系列运载火箭的第221次飞行。


“低调”的暗物质 中国科学家要看看你究竟

暗物质粒子探测卫星17日在甘肃酒泉发射升空。它承载着全球科学家,特别是物理学科学家的厚望。

暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一,目前世界多国都在集中人力、物力和财力研究这一问题。美国国家研究委员会的、由19名权威物理学家和天文学家联合执笔的2002年的报告中,列出了新世纪要解答的11个科学问题,其中“什么是暗物质”被列在首位;在中国科学院制定的创新2050规划路线图中,暗物质和暗能量探索被列为可能出现革命性突破的基本科学问题的第一位。暗物质和暗能量被认为是笼罩着21世纪物理学的两朵新的乌云,对它们的研究很可能会带来科学上的新突破。

有关探测暗物质的卫星,中国并不是世界上第一个发射的。那么中国为什么要发射暗物质粒子探测卫星?中国的这颗被命名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星有哪些创新点?

暗物质不发光,不发出电磁波,从来没有被直接“看”到过。根据最新天文观测结果,宇宙是由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成的。对于神秘的暗物质,科学家迫切想知道它到底是什么。

暗物质探测卫星是基于暗物质粒子湮灭或衰变的假设,即暗物质粒子的湮灭或衰变会形成各种正粒子、反粒子对,这些粒子对在太空中传播就成了宇宙射线和伽马射线的一部分。暗物质探测卫星就是收集高能宇宙线粒子和伽马射线光子,通过分析其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

在中国的暗物质探测卫星升空之前,中国科学家曾做过暗物质的探测。暗物质粒子探测卫星首席科学家、中科院紫金山天文台研究员常进以前曾经研制过一个小的探测器,搭载在美国的一个长期停留在大气层上空的气球上,做了两个月的实验。在实验中,探测器观测到在高能谱段有一些奇怪的现象发生,科学家推测有可能就是暗物质碰撞产生了明物质,分布在非常高的谱段。常进说,要想观测到高能谱段,就必须发射卫星,探测器要更大,才能看得更加清楚;而在太空中,受到的干扰最小,卫星飞行两到三年,能够累积很多数据,就能看到能量谱是不是按通常理解的方式分布的,判断暗物质是否存在。

我们不能总是采用别人的数据做科学分析,也不能总是依靠搭载别人的卫星做我们想做的科学实验。“中国第一颗人造地球卫星——东方红一号发射已有45年,但到目前为止,中国的空间科学卫星还未成系列。”空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心主任吴季说,相比之下,美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家都做了大量以科学为目标的空间探索。作为一个航天大国,中国还没有自己的科学卫星系列。要想向航天强国转变,就不能没有空间科学卫星系列。我们现在提出创新驱动发展,就不能总是跟在别人的后面走。

2015年12月17日顺利升空的暗物质粒子探测卫星是中国第一颗由中科院自主研究、生产的卫星。同以前的卫星和国际同类卫星相比,它具有创新性。

首先,这颗卫星的结构不同于以往中国发射的卫星,它是以载荷为中心的一体化结构设计。中国科技大学教授、暗物质探测卫星副总设计师安琦说,以往卫星都是设计一个平台,相当于一个容器,然后把有效载荷置于其中,这时的有效载荷只能委曲地适应容器。而暗物质卫星的设计是以载荷(探测器)为中心,先把有效载荷集中安置好,再把卫星的其他部分见缝插针地“镶嵌”在有效载荷的边上。这种设计使得有效载荷达到1410公斤,平台仅为440公斤,二者达到了3.2∶1。这种载荷比在世界上都是极高的。

其次,它是目前世界上观测能段范围最宽、空间和能量分辨率世界领先的高能粒子探测器。据常进介绍,暗物质粒子探测器属于大型空间高能观测设备,它可以精确测量宇宙高能粒子(电子、伽玛、宇宙射线核素等)的物理特征和空间分布。卫星主要由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能探测器和中子探测器四大科学探测有效载荷组成。其观测能段范围覆盖0.5GeV—10TeV,能量分辨优于1.5%,超过国际上所有同类探测器。它的能段是国际“阿尔法磁谱仪”实验的10倍,探测器能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。


去发现人类未知的宇宙——科学家详解暗物质粒子探测卫星

当我们仰望星空,其实只看到了宇宙的冰山一角,宇宙的绝大部分对人类来说是隐藏的。天文学家估算,宇宙中95%以上是人类还没有弄清楚的暗物质和暗能量,只有不到5%是已知的普通物质。

暗物质,披着隐身衣的“宇宙幽灵”,科学家仅知道它们存在,却无法探测到它们。中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射基地成功发射,它的使命就是用“火眼金睛”去寻找暗物质粒子存在的证据。

“这是中国科学家首次在太空中放置自己的高分辨高能空间望远镜。”暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进说,“它有望深刻地变革人类的宇宙观,实现空间科学重大突破。”

为什么要寻找暗物质?

对常进来说,暗物质就像一个从未谋面的朋友,既亲切又陌生。

“宇宙中,我们能看见的物质,都因为带有电子而能‘发光’,我们能触碰一张桌子、一面墙,感觉到它们的存在,是因为有电磁场的相互作用。而暗物质是不带电荷的,也没有电磁场的相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物,不着痕迹地从身边飞走。”常进说,“因此尽管我们周围存在暗物质,例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,但我们并不能看到或感觉到。”

科学家们认为,暗物质是宇宙大爆炸的产物,在宇宙演化中起着决定性作用,也决定着宇宙未来的命运。同时,暗物质和暗能量的研究在基础物理学中也有着重要意义,因为科学界公认的粒子物理标准模型仅能解释占宇宙4.9%的普通物质,却无法解释暗物质和暗能量。

因此,暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学上的两朵“乌云”。美国科学家在一份报告中列出21世纪要解答的11个科学问题,“什么是暗物质”被列在第一位。

科学界公认,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃,将带来物理学的又一次革命。

中科院国家空间科学中心主任吴季说,暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域,全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质、暗能量及其隐藏的巨大科学宝藏。

“可到目前为止,人们找到的还都只是一些疑似证据。”吴季说,“人类还没有找到它,也不知道其质量、性质,不能用物理学标准模型去解释。”

暗物质距离人类生活如此遥远,为什么还要花这么多时间、精力和成本去寻找?科学家们回答,这一方面源自人类对于未知的好奇心和求知欲,另一方面,科学研究的价值和意义虽然有时在短期内无法显现,但往往能带来一些“副产品”,给科技和生活带来变革。

怎样寻找“宇宙幽灵”?

目前,国际上对暗物质探测方式主要分为3类。第一类是在加速器上通过两束高能粒子对撞将暗物质粒子“创造”出来,如欧洲核子中心的大型强子对撞机;第二类是在地下进行的直接探测,各国有不少这样的实验项目,其中中国四川锦屏地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室;第三类是在太空进行间接探测。

中国暗物质粒子探测卫星属于第三种方法。这种方法怎样寻找暗物质?常进解释说,世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质的时候,两者都会被摧毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,产生的能量将更大。

“假如能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并能够精确测量这些粒子的能谱,就能间接证明暗物质的存在。”常进说。

采用同样方法的还有诺贝尔奖获得者丁肇中研制并放置在国际空间站的阿尔法磁谱仪2号(AMS02)以及日本2015年发射的量能器电子望远镜等。其中AMS02已经观测到一些异常,但因为观测能段的限制,数据也比较少,还无法下结论。

“中国的暗物质卫星是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,超过国际上所有同类探测器。”卫星科学应用系统总设计师伍健说,其能段是阿尔法磁谱仪的10倍,涵盖了电子能谱和光子能谱发生异常的地方;其能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

“宇宙空间是人类最后的实验室,宇宙射线最高能量比目前最大的加速器高1亿倍以上。”常进说,“中国暗物质卫星提出的观测对象和观测能区都是到目前为止国际上的第一次。”

“人类的每个‘第一次’观测,都会有许多预见不到的科学发现,我们期望这次观测也能够发现许多人类未知的‘第一次’。”常进说。


“悟空”怎样施展“神通”?

暗物质卫星“悟空”的长宽高只有1.5米、1.5米、1.2米,比一张办公桌大不了多少。

“它体积虽小,功能却非常强大。”常进介绍,卫星有效载荷初样件在欧洲核子中心进行了3次束流实验来测试各项物理性能指标,表明它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强3大优势。

卫星系统总设计师李华旺介绍,卫星由4个科学探测有效载荷组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器,共同构成一个高能粒子探测器望远镜。4个探测器由上到下摞在一起,就像一个四层“大蛋糕”,它们各司其职,又联合执行任务,可以高精度地测量入射粒子的种类、方向、能量和电荷。

进入太空后,“悟空”将在500公里太阳同步轨道上运行。它将采取两种观测模式:在头两年采用巡天观测模式,由于暗物质可能存在于全天区的任何区域,所以第一阶段对全天扫描;两年后卫星转入定向观测模式,根据全天区探测的结果分析出暗物质最可能出现的区域,并针对这些区域开展定向观测。

卫星每天将传回约16G数据量,地面100余人的科学家团队将对数据展开分析研究。首批科学成果可能在6个月至1年后发布。

国际上很多团队在寻找暗物质,但迄今还从未探测到暗物质的明确信号。常进坦言,暗物质的基本物理性质还没有弄清楚,没有人能百分之百保证找到暗物质。“但只要卫星工作正常,就为我们打开了一扇观测宇宙的新窗口,必然会发现很多新奇的现象。”常进说,寻找暗物质需要全世界科学家共同努力。 (如需转载,请注明来源自科技世界网)