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卫星“悟空”入太空 将探测暗物质粒子

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2015年12月17日8时12分,名为“悟空”的中国暗物质粒子探测卫星,在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射,十多分钟后,“悟空”成功抵达500公里高的太阳同步轨道。

“悟空”是在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,中国科学系列卫星的首发星,其科学目标是探测理论物理所预测的暗物质粒子,其观测能段范围之宽、能量分辨率之优,超过国际上其他同类探测器。

中国暗物质卫星项目首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进说,“悟空”是世界上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,其观测能段是国际空间站阿尔法磁谱仪的10倍,能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

理论界之所以能发现暗物质,是由于在天文观测中,星体的运动速度远远大于可见物质所提供的引力所能够束缚的,如果没有额外的物质提供引力,宇宙将分崩离析。因此科学家预测,宇宙中存在我们看不到的暗物质。天文学家估算,宇宙由27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。

“没有暗物质的话,宇宙的结构没法这么快形成。”国家天文台研究员高亮对财新记者说,目前绝大多数科学家认可暗物质的存在可能性,虽然有人提出一些新的理论,基本上已经被排除掉。

80多年来,科学家们一直争论究竟何为暗物质以及人们为什么看不到它,他们给出了许多种推测和解释,其中最有可能的一个候选物质被称为 “弱相互作用大质量粒子”(weakly interaction massive particle,WIMP)。

中国的暗物质探测卫星,就是针对理论上预测的WIMP产生湮灭的现象。因为WIMP与其自身互为反粒子,相互碰撞会产生正负电子对和伽马射线。美籍华人物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目,就是寻找WIMP湮灭所产生的过量正电子,去年9月,他们的成果表示,暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。

丁肇中没有得到确认的最后一个特征,恰恰是最关键的一个特征,也就是正电子的比例在逐渐上升之后是否出现骤降。中国暗物质卫星项目科学应用系统总工程师、中科院紫金山天文台研究员伍健对财新记者说,在正电子的分布上有截止峰,国际上公认的发现WIMP的标准。

中国的项目虽然没有磁谱仪,无法区分正负电子,但是有一台非常灵敏的量能器,目的是探测高能伽马射线和电子的总和。伍健说,如果伽马射线的能谱上,在某个能量处一个尖峰,是用现有理论解释不了的,如果发现银河系的伽马射线的空间分布不是饼状,而是球状,就说明存在暗物质。
中国首颗暗物质探测卫星研究,在观测能段范围、能量分辨率等方面一举超过他国,而成本只有1亿美元,分别是美国Fermi项目、AMS二期项目的1/7和1/20。

发射进入太空后,“悟空”每天传回的数据量约12G字节。地面团队将有100余人对此展开分析研究,首批科学成果将有可能在6个月至1年后发布。

中国暗物质探测卫星原名为DAMPE,即dark matter particle explorer的缩写。今年九月开始全球征名,共收到了有效名称方案32517个。

12月16日下午,中国科学院国家空间科学中心宣布,将暗物质粒子探测卫星正式命名为“悟空”。

“悟”有领悟的意思,“悟空”有领悟、探索太空之意;另一方面,悟空的火眼金睛,犹如暗物质粒子探测卫星的探测器,可以在茫茫太空中,识别暗物质的踪影。

揭开暗物质之谜,被看作将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃。在中科院2009年发布的战略研究系列报告“创新2050:科学技术和中国未来”中提出,可能出现革命性突破的4个基本科学问题:暗物质、暗能量被列为第一。

在过去的五年里,锦屏地下实验室暗物质探测,卫星暗物质探测,西藏阿里的宇宙背景辐射的探测,空间站以及南极天文等项目,帮助中国在暗物质暗能量研究上从“跟跑” 到“并跑”到最后“领跑”打下基础。

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