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新華視點【我國暗物質粒子探測衛星被命名為“悟空”】“悟空”肩負著去太空尋找暗物質存在證據的使命，它擁有“火眼金睛”，觀測能段、能量分辨率超過國際上其他同類探測器，可謂“神通廣大”，有望在物理學前沿帶來重大突破。（記者吳晶晶）
“暗物質粒子探測”衛星的太陽電池翼進行展開試驗。
“暗物質粒子探測”衛星力學振動試驗。
“暗物質粒子探測”衛星 在人類的太空探索中，天文衛星的問世使天文學產生了第三次飛躍，因為它改變了以往坐地觀天的傳統，擺脫了大氣層的封鎖，可在全波段范圍內對宇宙空間進行詳細的觀測。自從1960年世界第一顆天文衛星上天以來，可見光天文衛星、X射線天文衛星、γ射線天文衛星、紅外天文衛星和紫外天文衛星等各類天文衛星層出不窮，其觀測成果極大地促進了天文學的發展。 經過多年努力，我國于2011年啟動了“空間科學先導專項”，將陸續發射各類多顆天文衛星，逐漸改變我國只是天文知識的使用國，而非產出國的局面，以獲得重大原創性天文學成果。而即將發射的我國第一顆天文衛星，用于探測宇宙中的暗物質粒子。 如何探測暗物質 暗物質是一種比電子和光子還要小的物質，不帶電荷，不與電子發生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分。其密度非常小，但是數量龐大，因此它的總質量很大，代表了宇宙中84.5%的物質含量。暗物質無法直接觀測得到，本身不和已知的任何明物質發生關系，唯一發生關系的就是引力的變化，能干擾星體發出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。 暗物質是由萬有引力效應明確證實其存在，但卻無法通過電磁波被直接觀測到的物質，這是長久以來粒子物理和宇宙學的核心問題之一，其研究成果很可能帶來基礎科學上的重大突破，導致粒子物理標準模型和大爆炸宇宙論的完善、更新甚至揚棄，預示著人類對物質世界認識的新的革命，直接推進人類對宇宙的演化，對物質的基本結構和基本相互作用的理解，也將是人類對自然界認識革命性的飛躍。所以，不少國家都在開展這一方向的研究。 探測宇宙線分為地面探測和空間探測，兩者各有千秋。后者的優點是能測量低能宇宙線，并且能區分宇宙線的種類，不足之處是受技術難度和費用的限制，目前難以測量高能區的宇宙線，而前者反之，所以它們之間可以取長補短。 現在，通常有三種探測機制了解暗物質的本質：地面直接探測、加速器實驗探測和太空間接探測。其中，地面直接探測的實驗至今對暗物質存在的參數空間給出了一定的限制；地面加速器上的實驗目前沒有明確地給出暗物質搜尋的結果；太空間接探測實驗看到了一些暗物質粒子存在的跡象，但仍需進一步的數據積累以及更高能量的精確測量，以確定這些信號究竟是來自于暗物質或是其他天體物理過程。 測量宇宙線粒子能量的探測器一般分量能器和磁譜儀兩種，其中量能器用于測量宇宙線在探測器中產生的簇射。磁譜儀用于測量宇宙線在其磁場中的偏轉。我國“暗物質粒子探測”等天文衛星使用量能器探測暗物質；“國際空間站”上的α磁譜儀2號等使用磁譜儀探測暗物質。 “α磁譜儀2號”主要測軌跡 在空間探測暗物質實驗方面，目前最著名的是“國際空間站”上的α磁譜儀2號，它已取得了一些重要成果。 與天文望遠鏡觀測物質發出的可見光和電磁波不同，α磁譜儀2號是直接觀測粒子本身，因而它有可能發現天文望遠鏡無法發現的暗物質等。 由諾貝爾獎獲得者丁肇中為首席科學家的α磁譜儀2號，于2011年5月被送至“國際空間站”，它主要是通過強大而特殊的磁場來探測到太空中“流竄”的粒子。帶電粒子進入磁場后軌跡會發生變化，不同帶電粒子的軌跡變化也不同，而不帶電的粒子的軌跡則不會發生變化，因而觀測粒子進入這一磁場后軌跡是否變化，變化程度有什么不同，就可以推知這是何種粒子。 2014年，“國際空間站”α磁譜儀2號項目研究團隊公布了最新研究成果。其測量表明，暗物質可能存在。暗物質碰撞產生過量正電子有6個特征，其中開始點、上升速率、最高點等5個特征，都已被α磁譜儀2號測量到。該項目研究團隊認為，要證實過量正電子是由暗物質碰撞產生，6個特征缺一不可。最后一個特征就是正電子比例上升到最高點后是否有驟降，如果觀察到驟降，說明過量正電子來自暗物質對撞；如緩慢下降，則可能來自脈沖星等天體。因此，α磁譜儀2號正在進一步測量相關數據。丁肇中說，5個特征都已經被測量到了，最后一個特征就是產生率會不會突然下降，這個要花很多的時間。如果很快下降，一定是暗物質跟暗物質對撞產生正電子，因為暗物質能量有限，到一定能量以后就不可能再產生正電子，所以會突然下降。 “暗物質粒子探測”主要測能量 “暗物質粒子探測”衛星的科學目標是間接探測暗物質，以及研究宇宙線物理和γ射線天文。它對高能粒子的探測方法與α磁譜儀2號不同。它雖然不能像α磁譜儀2號那樣能探測粒子在磁場中的變化，區分粒子的電極性，但是測量的能量譜段是最高的，可以探測能量極高的粒子。 暗物質相互碰撞并湮滅時會產生明物質，其能量很高。“暗物質粒子探測”衛星探測的是暗物質粒子之間相互碰撞湮滅后所產生的明物質高能粒子，這種暗物質粒子湮滅的物理機制在國際上是一種比較認可的物理模型。 如果沒有暗物質，通常宇宙中高能粒子的分布是逐漸下降的，因此，如果在太空中確定某一個方向觀測，從那個方向過來的高能粒子會隨著能量譜段的升高越來越少。要想觀測到高能譜段，就必須發射天文衛星，探測器要更大，才能看得更加清楚；而且在太空中受到的干擾最小，天文衛星飛行2至3年，能夠累計很多數據，就能看到能量譜是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是，需要解釋為什么會這樣。假如探測器什么都沒有看到，至少也可以證明這種關于暗物質的理論不成立。 “暗物質粒子探測”將進行巡天觀測。經過1至2年的巡天后，如果對某一方向的粒子特別感興趣，發現新的物理現象，會調整探測器，讓它集中觀測這個方向。 該天文衛星具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強三大優點，在暗物質間接探測方面具有很強的國際競爭力。例如，在γ射線觀測方面，其靈敏度遠高于α磁譜儀2號等探測器。其高能量分辨大大高于美國“費米”γ射線大面積空間望遠鏡，整體譜線探測能力要比“費米”至少要高10倍以上；在宇宙射線重核探測方面，超過目前國際上所有實驗。所以，它有望在暗物質探測和宇宙線物理兩大前沿領域取得重大突破，并可望在γ天文方面取得重要成果，一旦取得突破，將很可能會帶來物理學新的革命。 未來探測 瞄準暗物質湮滅信號 未來，我國還將用裝在空間站上的“高能宇宙輻射探測設施”（HERD），重點探測暗物質湮滅的γ射線譜線，它將有可能測量到暗物質湮滅的確鑿無疑的信號。我國之所以在發射了“暗物質粒子探測衛星”還要搞“高能宇宙輻射探測設施”，主要是為了增加搜尋暗物質的手段和擴大搜尋參數空間，各實驗互相補充。“暗物質粒子探測”和“高能宇宙輻射探測設施”的先后實施，將使得我國在這個領域保持領先并且做出重大科學發現。 |
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