當(dāng)我們仰望星空，其實(shí)只看到了宇宙的冰山一角，宇宙的絕大部分對(duì)人類來(lái)說(shuō)是隱藏的。天文學(xué)家估算，宇宙中95％以上是人類還沒(méi)有弄清楚的暗物質(zhì)（26.8％）和暗能量68.3％），只有不到5％是已知的普通物質(zhì)。
暗物質(zhì)，披著隱身衣的“宇宙幽靈”，科學(xué)家僅知道它們存在，卻無(wú)法探測(cè)到它們。17日，中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地成功發(fā)射，它的使命就是用“火眼金睛”去尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。
“這是中國(guó)科學(xué)家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠(yuǎn)鏡。”我國(guó)暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)說(shuō)，“它有望深刻地變革人類的宇宙觀，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)重大突破。”
“悟空”是目前世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。它將在太空中開(kāi)展高能電子及高能伽馬射線探測(cè)任務(wù)，探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)，研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律。
此次發(fā)射的暗物質(zhì)衛(wèi)星全部由中科院研制、生產(chǎn)。工程2011年立項(xiàng)，造價(jià)1億美元，遠(yuǎn)低于國(guó)外同類探測(cè)器。衛(wèi)星將在軌運(yùn)行3年以上，首批科學(xué)成果有望在6個(gè)月至1年后發(fā)布。
暗物質(zhì)是怎樣一種神奇的存在
暗物質(zhì)有多火？就連熱門美劇《生活大爆炸》里的主角“謝耳朵”都轉(zhuǎn)行研究暗物質(zhì)了。
暗物質(zhì)是怎么被發(fā)現(xiàn)的？20世紀(jì)30年代初，美國(guó)加州理工學(xué)院的天體物理學(xué)家茲威基第一個(gè)發(fā)現(xiàn)，宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以把宇宙連成一片，如果不是存在一種神秘而不可見(jiàn)的物質(zhì)，星系早就分崩離析。
科學(xué)家把這種看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)稱為暗物質(zhì)”。到了20世紀(jì)70年代，多種天文觀測(cè)，比如盤星系的旋轉(zhuǎn)曲線、星系團(tuán)Ｘ射線觀測(cè)、引力透鏡等都顯示了暗物質(zhì)的存在。但直到現(xiàn)在還沒(méi)有確定的暗物質(zhì)信號(hào)被探測(cè)到。
暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵“烏云”。美國(guó)科學(xué)家在一份報(bào)告中列出21世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問(wèn)題，什么是暗物質(zhì)”被列在第一位。
科學(xué)界公認(rèn)，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍，將帶來(lái)物理學(xué)的又一次革命。
科學(xué)界公認(rèn)，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼日心說(shuō)、萬(wàn)有引力定律、相對(duì)論及量子力學(xué)之后的又一次重大飛躍，將帶來(lái)物理學(xué)的又一次革命。
中科院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季說(shuō)，暗物質(zhì)粒子的探測(cè)目前是國(guó)際科學(xué)前沿競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的研究領(lǐng)域，全世界的科學(xué)家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)、暗能量及其隱藏的巨大科學(xué)寶藏。
“可到目前為止，人們找到的還都只是一些疑似證據(jù)。”吳季說(shuō)。
暗物質(zhì)距離人類生活如此遙遠(yuǎn)，為什么還要花這么多時(shí)間、精力和成本去尋找？科學(xué)家們回答，這一方面源自人類對(duì)于未知的好奇心和求知欲，另一方面，科學(xué)研究的價(jià)值和意義雖然有時(shí)在短期內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)，但往往能帶來(lái)一些“副產(chǎn)品”，給科技和生活帶來(lái)變革。
雖然科學(xué)家們還不知道暗物質(zhì)究竟由什么構(gòu)成，但通過(guò)觀測(cè)它如何影響普通物質(zhì)，并模擬它的引力效應(yīng)，還是對(duì)它有了一些了解：
——宇宙中95％以上是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占26.8％。暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波、不參與電磁相互作用，它無(wú)法用任何光學(xué)或電磁觀測(cè)設(shè)備直接“看”到。
——暗物質(zhì)難以探測(cè)，還在于它密度小、速度快，難以捕捉?？茖W(xué)家測(cè)算，暗物質(zhì)粒子每秒的運(yùn)動(dòng)速度為220公里。
——暗物質(zhì)應(yīng)該來(lái)自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一個(gè)時(shí)刻，宇宙溫度非常高，粒子能量非常強(qiáng)，它們劇烈碰撞，在這種相互作用下，包括暗物質(zhì)在內(nèi)的各種各樣的物質(zhì)由此產(chǎn)生。
——宇宙的結(jié)構(gòu)與暗物質(zhì)有關(guān)。由于暗物質(zhì)和它自己以及其他物質(zhì)不發(fā)生除了引力以外的作用，它是促使宇宙膨脹時(shí)在自身引力下形成特定結(jié)構(gòu)的首要物質(zhì)類型。暗物質(zhì)播下了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)的種子，隨后可見(jiàn)物質(zhì)才聚集在一些由暗物質(zhì)建立起來(lái)的引力點(diǎn)上，并最終形成了星系。
——暗物質(zhì)對(duì)生命來(lái)說(shuō)是絕不可少的。假如沒(méi)有暗物質(zhì)的引力作用，我們所在的銀河系將永遠(yuǎn)無(wú)法在宇宙大爆炸后的膨脹過(guò)程中坍縮形成。那樣的話，現(xiàn)在既沒(méi)有太陽(yáng)，也沒(méi)有地球，更沒(méi)有你我……
吳季說(shuō)，由于人類還不了解暗物質(zhì)，不得已才稱它們“暗”，一旦發(fā)現(xiàn)了它們是什么，并且隨著研究的深入，新發(fā)現(xiàn)的粒子就會(huì)有很多名字。“暗”只是階段性的名字，也充分體現(xiàn)了人類還不了解它。
對(duì)于找到暗物質(zhì)，科學(xué)家已經(jīng)等待了數(shù)十年。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，科學(xué)家們或許距離破解暗物質(zhì)這個(gè)宇宙謎團(tuán)只有一步之遙了。
怎樣尋找“宇宙幽靈”
目前，國(guó)際上對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)方式主要分為3類。第一類是在加速器上通過(guò)兩束高能粒子對(duì)撞將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來(lái)，如歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)；第二類是在地下進(jìn)行的直接探測(cè)，各國(guó)有不少這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中我國(guó)四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室；第三類是在太空進(jìn)行間接探測(cè)。
我國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星屬于第三種方法。這種方法怎樣尋找暗物質(zhì)？常進(jìn)解釋說(shuō)，世界上的物質(zhì)都有反物質(zhì)，當(dāng)一個(gè)物質(zhì)遇到一個(gè)反物質(zhì)的時(shí)候，兩者都會(huì)被摧毀，由此產(chǎn)生巨大的能量。但是暗物質(zhì)非常獨(dú)特，它的反物質(zhì)就是本身，如果暗物質(zhì)粒子和自身的反物質(zhì)粒子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的能量將更大。
“假如能夠監(jiān)測(cè)到暗物質(zhì)粒子碰撞后產(chǎn)生的高能粒子，如伽馬射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等，并能夠精確測(cè)量這些粒子的能譜，就能間接證明暗物質(zhì)的存在。”常進(jìn)說(shuō)。
采用同樣方法的還有諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中研制并放置在國(guó)際空間站的阿爾法磁譜儀2號(hào)（ＡＭＳ02）以及日本今年發(fā)射的量能器電子望遠(yuǎn)鏡等。其中ＡＭＳ02已經(jīng)觀測(cè)到一些異常，但因?yàn)橛^測(cè)能段的限制，數(shù)據(jù)也比較少，還無(wú)法下結(jié)論。
“我國(guó)的暗物質(zhì)衛(wèi)星是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師伍健說(shuō)，其能段是阿爾法磁譜儀的10倍，涵蓋了電子能譜和光子能譜發(fā)生異常的地方；其能量分辨率比國(guó)際同類探測(cè)器高3倍以上。
“宇宙空間是人類最后的實(shí)驗(yàn)室，宇宙射線最高能量比目前最大的加速器高1億倍以上。”常進(jìn)說(shuō)，“我國(guó)暗物質(zhì)衛(wèi)星提出的觀測(cè)對(duì)象和觀測(cè)能區(qū)都是到目前為止國(guó)際上的第一次。”
“悟空”怎樣施展“神通”
暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”比一張辦公桌大不了多少。“它體積雖小，功能卻非常強(qiáng)大。”常進(jìn)介紹，衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心（ＣＥＲＮ）進(jìn)行了3次束流實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，表明它具有能量分辨率高、測(cè)量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)3大優(yōu)勢(shì)。
衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師李華旺介紹，衛(wèi)星由4個(gè)科學(xué)探測(cè)有效載荷組成，分別是塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器、ＢＧＯ量能器和中子探測(cè)器，共同構(gòu)成一個(gè)高能粒子探測(cè)器望遠(yuǎn)鏡。4個(gè)探測(cè)器由上到下摞在一起，就像一個(gè)四層“大蛋糕”，它們各司其職，又聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)，可以高精度地測(cè)量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。
進(jìn)入太空后，“悟空”將在500公里太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行。它將采取兩種觀測(cè)模式：在頭兩年采用巡天觀測(cè)模式，由于暗物質(zhì)可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域，所以第一階段對(duì)全天掃描；兩年后衛(wèi)星轉(zhuǎn)入定向觀測(cè)模式，根據(jù)全天區(qū)探測(cè)的結(jié)果分析出暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域，并針對(duì)這些區(qū)域開(kāi)展定向觀測(cè)。
衛(wèi)星每天將傳回約16Ｇ數(shù)據(jù)量，地面100余人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析研究。首批科學(xué)成果可能在6個(gè)月至1年后發(fā)布。
衛(wèi)星每天將傳回約16Ｇ數(shù)據(jù)量，地面100余人的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析研究。首批科學(xué)成果可能在6個(gè)月至1年后發(fā)布。
國(guó)際上很多團(tuán)隊(duì)在尋找暗物質(zhì)，但迄今還從未探測(cè)到暗物質(zhì)的明確信號(hào)。常進(jìn)坦言，暗物質(zhì)的基本物理性質(zhì)還沒(méi)有弄清楚，沒(méi)有人能百分之百保證找到暗物質(zhì)。“但只要衛(wèi)星工作正常，就為我們打開(kāi)了一扇觀測(cè)宇宙的新窗口，必然會(huì)發(fā)現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象。”常進(jìn)說(shuō)，尋找暗物質(zhì)需要全世界科學(xué)家共同努力。
“悟空”小檔案
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心表示，悟空是古典名著《西游記》中齊天大圣的名字，“悟”有領(lǐng)悟的意思，“悟空”有領(lǐng)悟、探索太空之意；另一方面，悟空的火眼金睛，猶如暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的探測(cè)器，可以在茫茫太空中，識(shí)別暗物質(zhì)的蹤影。
“悟空”究竟是怎樣的一顆衛(wèi)星？以下是它的小檔案：
它有多大？
長(zhǎng)、寬、高分別1.5米、1.5米、1.2米，比一張辦公桌大不了多少。
它有多重？
這顆衛(wèi)星整體質(zhì)量為1.85噸，有效載荷質(zhì)量為1.4噸。
它的軌道高度是多少？
500公里。
它的壽命多長(zhǎng)？
3年以上。
它在太空怎么工作？
通過(guò)探測(cè)宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來(lái)間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子。
它有何獨(dú)到之處？
它是迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的空間探測(cè)器，超過(guò)國(guó)際上所有同類探測(cè)器。
它在哪兒發(fā)射？
中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心。
誰(shuí)送它上太空？
由中國(guó)航天科技集團(tuán)第八研究院研制的長(zhǎng)征二號(hào)丁型火箭。
這是長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭執(zhí)行的第26次飛行任務(wù)，該型火箭保持了百分之百的成功率。暗物質(zhì)衛(wèi)星工程運(yùn)載系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師洪剛介紹，專家對(duì)長(zhǎng)二丁火箭做了一些改進(jìn)，他將火箭上感知其位置、姿態(tài)、速度的裝置比作火箭的小腦。“我們?yōu)榛鸺惭b了更先進(jìn)、穩(wěn)定的兩套‘小腦’——激光慣組和光纖慣組，有主有備，提高了可靠性，還為火箭減輕了二三十公斤的重量。充當(dāng)火箭‘大腦’的計(jì)算機(jī)也裝了3塊主板，任何一塊出問(wèn)題，都不會(huì)影響到整個(gè)任務(wù)的成敗。”
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