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中国暗物质探测卫星升空在即

中国暗物质探测卫星升空在即

  近日,暗物质粒子探测卫星征名活动启动仪式举行。全球网民可登陆人民网,为暗物质卫星提供命名建议,特等奖的获奖者还有机会亲临酒泉卫星发射中心现场观摩卫星发射。

  天高地阔,宇宙无穷。当我们仰望星空,面对的是太多未知的奥秘。对此,人类从未停止过孜孜求索的步伐。在天文学界、物理学界所关注的待解之谜中,极为神秘的“暗物质”可谓是焦点话题。而现在,或许可以说,我们离破解暗物质的秘密又近了一步:由中国科学院空间科学战略先导专项支持研制的暗物质粒子探测卫星(DAMPE),目前已完成研制并整体交付,并将于2015年底在酒泉卫星发射基地择机发射。

 幸运28 宇宙“幽灵”:神秘的暗物质

  当被问及“到底什么是暗物质”时,连暗物质卫星科学应用系统的副总设计师范一中也要笑着说:“诚实地讲,目前世界上最顶尖的物理学家,也不确凿知道它究竟是什么。”

  暗物质无法被感知,有人戏称它是宇宙中的“幽灵”,可以说,我们身体周围每时每刻都有暗物质穿过,而你却毫无察觉。

  暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台研究员常进介绍说:“宇宙中,我们能看见的物质,都因为带有电子而能‘发光’,而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。与此不同,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,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,但并不能为我们所看到或感觉到。”

  既然如此,科学家们又是怎么发现暗物质的存在的呢?据范一中讲解,暗物质的存在有很多证据。例如科学家们在进行普通的天文学研究时,发现我们所能观测到的物质,即星系中发光物质的质量,要远小于其吸引力所需要的质量。用力学方法测出的质量往往比用光度方法测出的质量大得多,甚至有量级之差。通过行星围绕恒星旋转速度变化的异常,可以进一步推断,在人类已知的物质之外,还有另外一种物质存在。

  另外还有“引力透镜”学说也被用以解释暗物质的存在。我们知道光线通过玻璃透镜会偏转,同样,宇宙线在通过大质量的物质周围时也会发生偏转。科学家们在研究子弹头星系团时发现,主要导致光线发生偏转的地方并没有看得见的物质存在,这说明,有一种我们所看不到的暗物质存在。

  范一中总结暗物质的性质是“不发光,却有引力”。暗物质粒子寿命长,远大于137亿年;质量比质子大;作用弱,无法被感知。而且宇宙中的暗物质要比可见物质多得多。据常进介绍,天文观测表明,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占幸运28宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。

  那么,去探究如此神秘的暗物质,又对我们的实际生活有何作用呢?常进表示,目前探索暗物质的征途才刚刚起步,其实际作用尚未明朗。我们首先要了解暗物质的物理性质,才能进一步谈发展和应用。许多科学在起步之初,也都不能预见其今后对人类生活的作用,例如没人会预见量子力学对后来手机、电脑的贡献。这正是科学发展推动人类进步的过程。

  “探暗”求索:领先国际的探测卫星

  作为前沿科学课题,暗物质探测为世界最顶尖的科学家们所关注。常进认为,在2000年前后,国际科学界进入了空间探测时代。而对于暗物质的探测,目前各国仍都在探索阶段,这对中国来说是种机遇,可以说我们在此领域上与世界同步。如果能尽快实现对暗物质的成功探测,则有可能取得领先国际的成果。

  探测暗物质的方法目前有三种:直接探测、间接探测和对撞机探测。直接探测是探测暗物质粒子与普通粒子碰撞后,后者得到的能量反冲信号。在美剧《生活大爆炸》中出现的谢尔登进入矿洞探测暗物质的情节,便是直接探测。目前,各国有不少这样项目,其中我国四川锦屏的地下实验室是目前世界上最深的研究暗物质实验室。对撞机探测则是用两束高能粒子对撞产生暗物质粒子,这种实验花费极为高昂。在欧洲核子中心,有此方面的研究,但目前尚未发现新的证据。

  而我国即将发射的暗物质粒子探测卫星属于间接探测,原理是在宇宙中探测暗物质粒子湮灭后产生的明物质,通过探测宇宙线及伽马射线能间接地研究暗物质粒子。据暗物质卫星科学应用系统总设计师伍建介绍,暗物质粒子探测卫星的原理可以比喻为一个底片曝光过程,宇宙线穿过探测机时发生作用,探测机把信号记录下来,从而判断粒子的类型、电荷、能量大小等。目前美国、意大利、日本等国家都发射或放置过探测暗物质的仪器,包括丁肇中先生研制并放置在国际空间站的阿尔法磁谱仪2号。今幸运28年8月,日本也发射了量能器电子望远镜,此项目与我们即将发射的卫星研究目标较为接近。

  据介绍,我国的暗物质粒子探测卫星是中国科学卫星系列的首发星,于2011年底立项,计划于今年12月发射。相比世界上其他已经开展的暗物质探测项目,我国发射此颗卫星的优势首先在于我们经过了长时间的积累,拥有自主的知识产权。作为暗物质卫星的首席科学家,常进研究员早在1998年就开始研究暗物质探测的新方法。受制于当时国内的科研条件,他早年于国外进行研究,在2008年发表的科研成果引起了轰动。2010年后,我国开始大力发展科学卫星,常进归国后投入研究工作,为我国此领域发展带来了优势。卫星发射成功后,需要花费6个月到1年的时间来收集并传回数据,后续将会有百余人的科研团队来分析这些数据,得出科研结果。此外,我国此颗暗物质粒子探测卫星的成本约为1亿美元,远低于其他国家探测卫星的成本。这得益于我国近年来基础工业的发展,使得卫星的许多元器件来自国产,大大降低了制造费用。

  常进称,此颗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,为暗物质探测研究开辟了一个新的观测窗口。此外,此颗卫星还将在研究宇宙线起源和伽马射线等方面做出贡献,推动我国空间科学发展。

  (原载于《人民日报海外版》 2015-10-09 07版)