【百姓大学堂143】常进:“悟空号”探测暗物质

发表时间:2017-12-05   浏览量:764   信息来源:宣传部    审核人:许子健

12月2日下午,应家乡人民的邀请,暗物质粒子探测卫星“悟空号”首席科学家常进返回家乡,走进我校,做客“文化泰州系列讲坛”第143期百姓大学堂,为广大市民和师生作《仰望星空》的科技主题报告。泰州市委宣传部副部长孟国平,泰州市委讲师团副团长顾戛良,海陵区委宣传部副部长、区文联主席薛梅,泰州市委宣传部理论处处长凌健,泰州市委宣传部理论处副处长陈砚秀等出席。我校宣传部、学工处、后勤保卫处、团委和环药学院、外国语学院等各单位相关负责同志与600名师生和市民朋友共同聆听了报告。

常进简介

中国科学院暗物质与空间天文重点实验室主任,暗物质粒子探测卫星“悟空号”首席科学家,中国科学院紫金山天文台副台长。他长期致力于空间天文探测技术和方法研究,参加了我国业已完成的所有以卫星或飞船为平台的空间伽玛射线科学探测项目,提出高能电子和伽玛射线探测新方法并应用于国际探测实践;在国际上首次在1千亿电子伏特以上能段进行了电子宇宙射线能谱的准确测量并发现显著的超出,该成果在美欧被评为2008年物理研究十大进展,并应用到我国暗物质粒子探测卫星及国际空间站项目CALET设计中。其研究成果被授予国家自然科学二等奖、国家科技进步奖等。

近日,暗物质粒子探测卫星“悟空号”首席科学家常进做客第143期百姓大学堂,为市民作《仰望星空》的科技主题报告。报告会上,常进介绍了暗物质粒子探测的意义、方法及国内外最新研究进展情况,介绍了中国首颗天文卫星——暗物质粒子探测卫星“悟空号”的研制历程、成功飞天后的工作情况以及在轨运行期间的最新探测结果。

   

演讲实录

什么是暗物质?

我1966年出生于泰兴市一个普通农民家庭。受家庭影响,从小就养成了干事速度快、讲究效率的习惯。从中国科技大学研究生毕业后,我进入中国科学院紫金山天文台,被分配到空间天文实验室,当时我国在该领域的研究几乎是空白。

天文学家怎么去测天体的重量和质量?有两种方法,第一,看发光。发光多的质量就多,根据恒星的亮度可以算出来;第二,根据轨道。我们知道人造卫星绕地球转的时候,离地球近的时候速度快,离地球远了,速度要慢下来。离地球远的时候,它速度很快的话,它就要飞出地球,进入太阳系;速度再快的话,它就飞出去,飞离太阳系了。用这种方法,当轨道速度、距离都知道的时候,可以测出地球的质量。

但是问题来了,100年前,美国天文学家用望远镜去观测星系团的时候,首先看亮度,发现绕星系团中间旋转,因为你把轨道测出来,就能把质量测出来,测出来的速度相差400倍。外围的星系转得太快了,里面应该要有大量的看不见的物质,产生的引力才能把星系束缚在星系团中间,这是暗物质的概念。

有关暗物质主流理论认为,暗物质就是它本身的反离子,什么叫做反离子呢?以医院体检为例,比喻暗物质的特征就和正负电子一样,只不过暗物质的本身就是它的反应粒子,同样的两个粒子走到一块去就会发生湮灭,它湮灭的时候,会产生看得见的高能粒子。所以我们通过探测这些看得见的高能粒子,可以探测看不见的暗物质粒子,研究暗物质粒子的物理性质。

主流学界认为,人类已发现的物质只占宇宙总物质量不足5%,剩余部分由暗物质和暗能量等构成。揭开暗物质之谜,被认为是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论和量子力学之后,人类认识自然规律的又一次重大飞跃。

暗物质不带电,没有任何电磁相互作用,只有引力相互作用,所以靠望远镜看不到它,每秒钟有数万亿个暗物质粒子穿过你,但你不会感觉到它,如果你感觉到了,那就不需要暗物质卫星了。

如果真发现暗物质,会对我们的生活有什么影响?这无法预测,但作为一个标准模型里没有的粒子,找到暗物质意味着物理学的突破。


如何寻找暗物质

怎么探测暗物质?暗物质产生宇宙大爆炸,首先要高能加速器,用高能粒子碰撞模拟宇宙大爆炸将暗物质打出来。第二种方法是用地理学放一个探测器靶子,就像球台上放一个球,在那儿守株待兔,如果这个球动一下,别的东西没看到任何动静,这也是暗物质。还有一种是天上的方法,通过天上看得见的高能粒子探测看不见的暗物质粒子。

国际上,三种暗物质探测方法已经花了数百亿美元,都没找到暗物质。所以,我们需要一个新的探测器,这个探测器越大越好,能量分辨率越好,本底抑制能力强好。这就是我们暗物质卫星。暗物质粒子信号,伽玛谱线、伽玛射线球状分布、高能电子能谱截断,找到了这三种信号,就意味着找到了暗物质粒子。

从2000年开始,我们就琢磨,怎么在天上放一个“悟空”这样的卫星,探测暗物质呢?2001年,中国科学院受国务院委托,组织10次空间先导专项,发展中国的科学卫星,暗物质粒子探测卫星终于立项了。2002年,我们开始有研制卫星去太空探测暗物质的想法。

暗物质卫星取名“悟空”,就是说要用它的火眼金睛能够找到暗物质。“悟空”是世界上最高能量分辨率、最宽观测能段、最强粒子鉴别力的空间粒子探测器。我们的物理量达到世界先进指标,有些指标更远远领先。

2015年12月17日,我国成功发射“悟空”卫星,历时530天,共采集了约28亿高能宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果,其中最令人惊喜的发现是,“悟空”的“火眼金睛”观测到了电子能谱的反常超出,这可能是“暗物质”存在的证据。


攻克技术难关

我们这支暗物质卫星队伍,基本上把国内这一块所有最先进、最好的科学家都吸引进来了。

这个卫星有两大技术难点,第一个叫粒子鉴别。卫星上要观测到的高能粒子多种多样,其中,粒子流量最高的质子,也就是氢原子核,要比电子高一千倍,它的流量要比伽玛射线高一百万倍,这意味着你看到伽玛射线,环境要求比较低的伽玛射线必须要把粒子的本底降低两千万倍。打个比方,就是要在人口两千万的大城市,瞬间找到20个人,难度很大。

第二个难度是动态范围。如果把“悟空号”的眼睛当成人的眼睛来看的话,也就是用人的眼睛去看一个2米高的运动员,同时要把他身上最小的细胞,也就是血小板看清楚了。既要能看清最小的,也要能看清最大的,这个难度很大,也是国际上第一次在单个探测器能达到这个动态范围。从立项到卫星发射,研制过程总共花了四年时间。

在卫星研制过程中,我没有流过泪,但卫星发射上天以后,流了两次眼泪。

第一次流泪是伽玛射线天图。我们的卫星和其他卫星不一样,其他卫星都是单一卫星,我们的卫星却要把带电粒子和伽玛射线同时观测到,这是了不得的事情,因为相差100万倍。当我看到那张图的时候,眼泪下来了,证明200多人跟我干了四年,没有白费。

第二次流泪是6个月以后,科学院有一个评估。卫星不能一上天就评估。探测高能电子和伽玛射线,它的流量很低,必须等到足够的数据量才能评估。为了表明我们做得比日本人好,我们约好了相互交换接口比较一下。当接收到对方的图的那个瞬间,我的眼泪下来了,因为我们的图比日本的至少好十倍。

“悟空号”第一次打开了人类在Tev以上的新的观察窗口,在这个窗口里面看到了一些比较新奇的物理现象。这是万里长征的第一步,我们已经触碰到新的世界,相信以后一定会有更大的惊喜。


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