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中国暗物质粒子探测卫星有多牛?
作者: 发布时间:2017-12-01 阅读次数:

  “中国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)的第一篇科学论文于今日凌晨发布,宣布科研团队获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。 

  在天文学界和物理学界,有一个被科学家称为世纪之谜的问题待解,这便是暗物质,它们合在一起的引力拉着太阳,使其不至于由于速度过高而飞离银河系的中心。 

   

  暗物质(图片来自互联网) 

  但是目前,研究暗物质的卫星却屈指可数,间接探测暗物质的卫星主要有国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)和美国的费米伽马射线卫星以及我国的“悟空”暗物质粒子探测卫星,它们正努力地探寻暗物质存在的证据。 

    

  总体情况对比 

  阿尔法磁谱仪Alpha- Magnetic Spectrometer,简称“AMS”)由诺贝尔奖获奖者丁肇中先生领导、全球16个国家和地区的56个研究机构合作承担的国际性大型科研项目,超过1500名科研人员参与该项目的研究工作。 

  阿尔法磁谱仪重达6700千克,中国多家单位参加了研制,其中,中国科学院高能物理研究所中国运载火箭技术研究院与法国、意大利的两个单位合作,研制了阿尔法磁谱仪电磁量能器,能够测量能量高达TeV的电子和光子,是寻找暗物质的关键子探测器。 

  原计划阿尔法磁谱仪NASA的航天飞机送入太空。但由于航天飞机近年来事故的影响,使得发射时间一再推迟,一直到2011516日,美国“奋进”号航天飞机携带着中国参与制造的阿尔法磁谱仪,从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空,前往国际空间站 

    

   

  2011516日,阿尔法磁谱仪发射升空 

  阿尔法磁谱仪运转时间长,经费投入大,从“阿尔法磁谱仪1”到“阿尔法磁谱仪2”,中间相隔了整整13年,而仅仅后者就消耗20亿美元。 

  费米伽玛射线太空望远镜Fermi Gamma-ray Space Telescope,原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST,大面积伽玛射线太空望远镜)是在地球低轨道的伽马射线天文学空间望远镜 

  此望远镜包括大面积望远镜(LAT),它是用来进行大面积巡天以研究天文物理或宇宙论现象,如活跃星系核脉冲星、其他高能辐射来源和暗物质。另外,该卫星搭载的伽玛射线爆监视系统(Gamma-ray Burst Monitor, GBM)可用来研究伽玛射线暴 

  GLAST格林尼治标准时间200861116:05Delta II 7920-H火箭发射。本任务是由美国国家航空航天局美国能源部、德国、法国、意大利、日本、瑞典政府机关联合执行。 

   

  费米太空望远镜 

    暗物质粒子探测卫星(英文:Dark Matter Particle Explorer,缩写:DAMPE)是中国科学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 

   

  我国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空 

  “悟空”暗物质粒子探测卫星于20151217日在酒泉卫星发射中心发射成功,是中国的首颗天文卫星。它由中科院微小卫星创新研究院抓总研制,中科院紫金山天文台等科研单位共同参加有效载荷、科学应用等工程项目研制工作。 

  暗物质卫星总设计师李华旺说,“悟空”的“火眼金睛”包含塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器四个子载荷,能测高能粒子的能量、方向和电荷,并具备鉴别粒子的本领,从而有可能探测到暗物质粒子的存在。“悟空”将在头两年对全天扫描,之后根据探测结果,对暗物质最可能出现的区域定向观测。 

    

  技术对比 

  阿尔法磁谱仪主结构的主体系外径为1.3米,内径为1.15米,高0.8米的空心高强度铝制圆柱体。永磁体呈条状插入主结构,其磁场强度高达1400高斯。主结构要求高精度,在生产及装配过程中严格控制偏差,以使其与航天飞机对接时不产生装配应力。 

   

  阿尔法磁谱仪 

  费米太空望远镜GLAST有两项科学载荷:大面积望远镜(Large Area Telescope, LAT)和伽玛射线爆监视系统(Gamma-ray Burst Monitor, GBM)。大面积望远镜是可以侦测能量范围 30 MeV - 300 GeV 的伽玛射线成像侦测器(成对转换仪器),视野是全天20%LAT康普顿伽玛射线天文台搭载的高能伽玛射线试验望远镜的后继者。 

  伽玛射线爆监视系统是使用14个闪烁器(其中12个是碘化钠晶体,侦测8keV1MeV;另2个是锗酸铋晶体,侦测150keV30MeV)的侦测器,可侦测全天空仪器能量范围所有伽玛射线。 

   

  费米太空望远镜 

  “悟空”暗物质粒子探测卫星的主要构成有塑闪阵列探测器(PSD),硅阵列探测器(STK)、电磁量能器(BGO)、中子探测器PSD用作反符合,由两层塑料闪烁体条组成;STK6个径迹双层,每个由正交摆放的两个单面硅条组成;有三层钨板厚度分别为1cm2mm2mm,插在硅微条的第234层前面,用作光子转换;BGO14层,每层22根,相邻两层正交排列,用来测量射线的能量;中子探测器加在量能器的底部。BGO量能器和STK总共大约33个辐射长度,是空间里最深的量能器。 

   

  “悟空”暗物质粒子探测卫星 

    

  研究成果对比 

  五年中,阿尔法磁谱仪AMS在国际空间站上收集的超过900亿个宇宙线事例中,能够明确分辨的包括3亿个质子事件,1650万电子事件,108万正电子事件,349000个反质子事件(其中1000亿电子伏以上的事件多达2200个),以及大批重核(直至铁元素)事件。 

  这些结果提供了精准且出人意料的信息,推进了人类对宇宙线产生、加速以及传播的认识,并为探测暗物质提供重要证据。尤为难得的是,AMS探测器以十亿分之一的测量精度,探测到少量疑似反氦事件,使人类见到反物质宇宙探测的曙光。 

  费米太空望远镜的成果之一是它发现了CTA1超新星遗迹内的中子星,科学家们发现该中子星只发射伽玛射线,此种形式中子星是第一次发现。这颗新发现的中子星以316.86毫秒的周期脉动,距离地球约4600光年。 

  并且,据美国太空网报道,费米太空望远镜在2008年发射以来的一年观测中,发现了最新的高能光线,从而证明了爱因斯坦关于光速理论的正确性。 

   

  费米射线太空望远镜天空图图片来视觉中国) 

  但是暗物质的实际观测并不像我们想象中那样容易,研究人员通过费米太空望远镜进行了长达7年的观测。积累了7年的观测数据听起来好像有很多,但其中的观测事例极为有限:在某个指定方向上,它每年大约只能观测到两次能量高于500GeV1GeV=10亿电子伏特,而1TeV=1万亿电子伏特)的宇宙线。 

  28日的新闻发布会上,科学家们指出,与阿尔法磁谱仪、费米空间望远镜相比,悟空卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高,拓展了我们观察宇宙的窗口;同时,悟空卫星测量到的TeV电子的“纯净”程度最高(也就是其中混入的质子数量最少),能谱的准确性高; 

  “测得准、高效率、低本底”是“悟空”的目标。目前“悟空”卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。 

 
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