<h3>為了實時了解我國科學研究的最新動態、實時了解國內天文界最新的研究成果，籍來南京大學聚會的機會，4月12日上午我們20個同學一同來到位于南京大學科學園的中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文實驗室參觀和了解暗物質粒子探測衛星（又稱“悟空”號衛星）。</h3><h3><br></h3><h3>用于研究、試驗和行政辦公的中國科學院紫金山天文臺新臺址位于南大科學園內（在紫金山上的老臺址現已作為科普基地）。</h3> <h3>去紫金山天文臺暗物質與空間天文實驗室參觀前，同學們先在南京大學科學園的Logo處合影留念。</h3> <h3>在暗物質與空間天文實驗室展覽大廳放置的暗物質粒子探測衛星模型。</h3> <h3></h3><h3>暗物質粒子探測器模型的放大圖。</h3> <h3>暗物質粒子探測衛星主研究單位為中國科學院紫金山天文臺，協作單位如下:</h3><h3>中國科學技術大學</h3><h3></h3><h3>中國科學院蘭州近代物理研究所</h3><h3>中國科學院高能物理研究所</h3><h3>中國科學院國家空間科學中心</h3><h3>中國科學院微小衛星創新研究院</h3><h3>意大利佩魯賈大學、</h3><h3>瑞士日內瓦大學</h3> <h3>中國科學院紫金山天文臺暗物質與空間天文實驗室研究人員馬濤先生正在為為我們詳細講解暗物質粒子探測器的概貌。</h3> <h3>隨后，馬濤先生帶領我們參觀半導體探測器測試實驗室，其實驗室主要進行半導體探測器封裝、測試； 多通道低噪聲前端讀出； 探測器的測試、單芯片測試、模塊組裝測試、整機測試等； 同時開展一些探測器模擬和在軌數據壓縮算法等。</h3> <p>接著，馬濤先生又帶我們參觀ASO-S衛星科學數據中心，其中心系中國科學院空間科學戰略性先導科技專項“先進天基太陽天文臺（ASO-S）”衛星系統總裝數據中心，ASO-S是用于觀測太陽硬X射線的衛星（還未發射）。</p><p>參觀期間，我們在ASO-S衛星科學數據中心還見到了“悟空”號衛星的一期實驗衛星，“悟空”號二期衛星目前正運轉在太陽同步軌道。</p> <h3></h3><h3>常進研究員，中國科學院紫金山天文臺臺長、兼中國科學院國家天文臺副臺長、暗物質與空間天文實驗室主任，暗物質粒子探測衛星（“悟空”號）首席科學家。</h3><h3><br></h3><h3>翻開常進的個人簡歷，有著長長一串的獎勵和榮譽。擔任暗物質粒子探測衛星首席科學家之前，常進一直參與我國探月工程項目，先后參加“嫦娥一號”伽瑪射線譜儀、“嫦娥二號”改進型伽瑪射線譜儀以及“嫦娥三號”APXS譜儀的研制工作。</h3><h3>常進獲得2009年獲國家杰出青年科學基金支持。2011年獲得江蘇省科學技術獎一等獎，全國五一勞動獎章。2012年獲得國家自然科學獎二等獎，國家科技進步獎特等獎。2013年入選國家百千萬人才工程，2014年獲江蘇省有突出貢獻的中青年專家。</h3><h3>圖片上是“悟空”號衛星～常進研究員的研發團隊。圖片來自網絡。</h3> <h3>“火眼金睛”指的是吳承恩所著的《西游記》中孫悟空眼光銳利，能識別妖魔鬼怪的眼睛。當代“悟空”的火眼金睛是指在國家和中國科學院的支持下，中國科學院紫金山天文臺臺長、中國科學院暗物質與空間天文重點實驗室主任，“悟空”號衛星首席科學家常進研究員主持與研發的“悟空”號暗物質粒子探測器（Dark Matter Particle Explorer，縮寫為: DAMPE）。它于2015年12月17日在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功發射，并被送入距地500公里的太陽同步軌道。</h3><h3><br></h3><h3>《西游記》孫悟空的扮演者六小齡童與“悟空”號首席科學家常進研究員正在參加對DAMPE授名為“悟空”號衛星的儀式，照片來自網絡。</h3> <h3>悟空號衛星自重1.90噸，其內部的四大科學載荷重達1410公斤，從上到下分別是塑料閃爍體探測器(PSD)、硅徑跡探測器(STK)、BGO量能器(BGO)以及中子探測器(NUD)。 </h3><h3>PSD由中國科學院蘭州近代物理研究所負責研制，其主要功能是測量帶電粒子的電荷并區分伽瑪射線和電子宇宙射線；STK是中國科學院高能物理研究所、意大利佩魯賈大學以及瑞士日內瓦大學聯合研制，其主要功能是將部分伽瑪射線轉換為正負電子對，并確定入射粒子的方位；BGO由中國科學技術大學與中國科學院紫金山天文臺聯合研制，除了精確的測量能量，還可以高效的區分電子和質子，并提供物理事例的觸發信息；NUD由中國科學院紫金山天文臺研制，主要功能是進一步的區分電子和質子。 </h3><h3>這四大科學載荷組合在一起就形成了一個寬觀測能段、高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度、低本底的GeV-TeV電子宇宙射線探測器和伽瑪射線探測器。悟空號的主要科學目標就是測量宇宙射線中的正負電子之比和伽瑪射線，得到精確的能譜并與宇宙模型進行比對，以期發現暗物質粒子存在的證據。 </h3><h3>圖片來自中國科學院紫金山天文臺網頁。</h3> <h3>有了探測暗物質的儀器，那何為暗物質哪？暗物質（Dark matter）是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質，它可能是宇宙物質的主要組成部分，但又不屬于構成可見天體的任何一種目前已知的物質。大量天文學觀測中發現的疑似違反牛頓萬有引力的現象可以在假設暗物質存在的前提下得到很好的解釋。現代天文學通過天體的牛頓萬有引力的現象運動、引力透鏡效應、宇宙的大尺度結構的形成、微波背景輻射等觀測結果表明暗物質可能大量存在于星系、星團及宇宙中，其質量遠大于宇宙中全部可見天體的質量總和。結合宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標準宇宙學模型（ΛCDM模型）可確定宇宙中由原子、分子組成的可見物質只占宇宙總量的5%，其它的95%的物質是不可見物質。其中27%為暗物質，68%是暗能量。把暗物質、暗能量和普通的可見物質加起來，發現宇宙的總密度正好等于宇宙的臨界密度，所以宇宙的幾何圖形應該是平直的，即我們所熟悉的歐氏幾何。暗物質本身有固定的質量，有可能產生正負電子或其它粒子，宇宙當中還普遍存在宇宙射線，即高能量的粒子，也包括正負電子。</h3><h3><br></h3><h3>目前一種被廣泛接受的理論認為，組成暗物質的是“弱相互作用有質量粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP），其質量和相互作用強度在電弱標度附近，在宇宙膨脹過程中通過熱退耦合過程獲得目前觀測到的剩余豐度。此外，也有假說認為暗物質是由其他類型的粒子組成的，例如軸子（axion），惰性中微子（sterile neutrino）等。<br></h3><h3><br></h3><h3>暗物質的存在已經得到了廣泛的認同,然而目前對暗物質屬性了解很少。目前已知的暗物質屬性僅僅包括有限的幾個方面：</h3><h3>（1）暗物質參與引力相互作用，所以應該是有質量的，但單個暗物質粒子的質量大小還不能確定。</h3><h3>（2）暗物質應是高度穩定的，由于在宇宙結構形成的不同階段都存在暗物質的證據，暗物質應該在宇宙年齡（百億年）時間尺度上是穩定的。</h3><h3>（3）暗物質基本不參與電磁相互作用，暗物質與光子的相互作用必須非常弱，以至于暗物質基本不發光；暗物質也基本不參與強相互作用，否則原初核合成的過程將會受到擾動，輕元素豐度將發生改變，將導致與當前的觀測結果不一致。</h3><h3>（4）通過計算機模擬宇宙大尺度結構形成得知，暗物質的運動速度應該是遠低于光速，即“冷暗物質”，否則我們的宇宙無法在引力作用下形成目前觀測到的大尺度結構。</h3><h3>綜合這些基本屬性。可以得出結論暗物質粒子不屬于我們已知的任何一種基本粒子。這對當前極為成功的粒子物理標準模型構成挑戰。</h3><h3><br></h3><h3>常進研究員認為，目前雖然有大量的試驗數據和理論模型對暗物質進行研究，但是還沒有準確的數據來確定暗物質粒子存在與否。由此需要綜合多種研究方法，積累數據以及更高能量的精準測量來加以確認。我國的“悟空”號暗物質粒子探測衛星就在更高能量和更高精度上展開了對物質的探測工作。</h3><h3>“悟空”號衛星在伽瑪射線譜線、暈狀分布的伽瑪射線以及奇異電子能譜結構三個方面開展暗物質探測。宇宙射線成分比較復雜，各種粒子的流量相差很大。由于“悟空”號衛星擁有很強的本底抑制能力，能將流量相差很大的各種高能粒子區分清楚，把它們的物理參數測量準確。對關鍵的物理量（如電荷、能量和方向等）都采用兩種獨立的測量，以保證結果的高可靠性。</h3><h3>“悟空”號衛星在軌運行兩年半以來，共采集到50億余個高能粒子數據，常進研究團隊從中篩選出了150萬個高能粒子數據。覆蓋的能段從25GeV到5GeV。</h3><h3>照片來自網絡。</h3> <h3><font color="#167efb">上圖是常進研究團隊從“悟空”號衛星2年半來觀測的數據，得到的宇宙高能粒子能譜。</font></h3><h3>從上面的高能粒子能譜中發現，大約在0.9TeV附近出現了一個能量上的拐折; 在約0.9TeV拐折以上，能量更高的電子數量減少了一些。這個拐折澄清了TeV能區電子的能譜行為，為判斷TeV以下的高能電子宇宙射線是否來自于暗物質湮滅提供了關鍵性的數據。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精度的下降行為對判定部分（能量低于1TeV電子）宇宙射線是否來自于暗物質湮滅起著關鍵性的作用。</h3><h3>常進研究團隊從高能粒子能譜中還發現，在1.4TeV附近，還有一個很突出的峰值。此能譜特征已引起很多高能天體物理學家的關注，在1.4TeV處存在的這個能譜精細結構，還需更多的觀測數據來解開這個謎。由于高能電子在銀河系中傳播的時候會快速的損失能量，因此TeV的電子不能傳播很遠，也就是其輻射源應該離我們比較近；出現精細結構也意味著輻射源產生的電子宇宙射線能譜非常尖銳，目前尚不清楚是什么天體物理過程能產生如此奇特的結構。當前“悟空”號運行狀態良好，正在持續采集數據，若1.4TeV處能譜精細結構的機制得以確認，將是高能粒子物理或天體物理研究領域的重大發現。</h3><h3><br></h3><h3>常進研究團隊認為，針對暗物質的探測，目前的“悟空”號衛星是運行在地球軌道，探測到的信息也局限在銀河系內，這也有可能使探測結果得到的結論受到限制。現在常進研究團隊正在努力分析“悟空”號衛星采集到的數據，以期早日發現暗物質的蹤跡或發現更多的宇宙天體奇特現象，更清晰地了解宇宙射線是如何產生的。</h3> <h3>“悟空”號衛星作為我國暗物質高能粒子探測衛星與FAST“中國天眼”一同作為國之重器，在2018年11月我國改革開放40周年大型展覽中一同亮相。在我國它率先開啟了宇宙空間暗物質粒子探索的新篇章！</h3><h3>正如習近平總書記在2016年新年賀詞中說得那樣，只要堅持，夢想總是可以實現的。相信常進研究團隊經過不懈的努力，定能在暗物質的探尋上有重大突破！</h3> <h3>參考文獻</h3><h3>常進，《電子能譜拐折: 佐證宇宙射線是否來自暗物質湮滅》，《前沿科學》，2019年第1期</h3>
主站蜘蛛池模板：
山东省|
利辛县|
潞西市|
广东省|
磴口县|
新河县|
浦城县|
大埔区|
天等县|
吉林市|
庆城县|
肥东县|
麦盖提县|
咸宁市|
双鸭山市|
获嘉县|
瓦房店市|
南丹县|
亳州市|
鹤壁市|
察隅县|
营口市|
光山县|
陇川县|
仲巴县|
定襄县|
周宁县|
嘉黎县|
南和县|
应用必备|
栖霞市|
绵竹市|
阿瓦提县|
四子王旗|
临安市|
兰州市|
宝应县|
武宁县|
连城县|
包头市|
大安市|