2015年12月17日8時12分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將中國科學(xué)衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空，這標(biāo)志著我國空間科學(xué)探測研究邁出重要一步?！拔蚩铡笔悄壳笆澜缟嫌^測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星，超過國際上其他同類探測器。 暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星此次太空之旅共有3個科學(xué)目標(biāo)：即通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽馬射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子;通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破;通過觀測高能伽馬射線，在伽馬天文方面取得重要成果?！拔蚩铡睂⑷绾卧谔罩虚_展高能電子及高能伽馬射線探測任務(wù)？它將如何探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)？
21世紀(jì)物理學(xué)的兩朵新的烏云
暗物質(zhì)問題是粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一。美國國家研究委員會列出了新世紀(jì)要解答的11個科學(xué)問題，其中“什么是暗物質(zhì)”被列在首位;在中國科學(xué)院制定的創(chuàng)新2050規(guī)劃路線圖中，暗物質(zhì)和暗能量探索被列為可能出現(xiàn)革命性突破的基本科學(xué)問題的第一位。暗物質(zhì)和暗能量被認(rèn)為是籠罩著21世紀(jì)物理學(xué)的兩朵新的烏云，對它們的研究很可能會帶來科學(xué)上的新突破。
暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4。同時更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)還是個謎。天文學(xué)家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，它們占了宇宙質(zhì)量的95%，通常所觀測到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。
之前，人們無法想象這種看不見摸不著的物質(zhì)在宇宙中竟占有95%的比重，假如這種新的理論被科學(xué)證實，就意味著我們所熟悉的這個世界，只是零星散布在宇宙中的小小點綴，如同大海中的一滴水，而在宇宙中占比如此大的東西，人類卻一無所知。因此，暗物質(zhì)被科學(xué)界普遍證實存在，已經(jīng)給人們的觀念帶來了巨大的沖擊，如果在暗物質(zhì)性質(zhì)的研究方面有任何突破性進(jìn)展，那將會帶來不可估量的科學(xué)影響?？茖W(xué)家相信，通過探索“不可見宇宙”如何影響銀河系和宇宙的過去、現(xiàn)在和未來，人類最終一定能夠了解宇宙的起源。
我們?nèi)绾螌ふ摇鞍滴镔|(zhì)”？
對于這些擅長隱身的暗物質(zhì)粒子，科學(xué)家用什么辦法來探測它們呢？
第一種方法是在加速器上通過兩束高能粒子對撞將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，如歐洲核子中心的大型強子對撞機(jī)。如果能量足夠高，理論上，這樣的碰撞有可能產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子——而暗物質(zhì)粒子是隱身的，無法被周邊的探測器記錄到。于是，在科學(xué)家看來，這場粒子碰撞中就會有很大一部分能量不翼而飛。如果發(fā)生這樣的能量失蹤案，便可以為暗物質(zhì)粒子的存在提供直接證據(jù)。
第二種方法是在地下進(jìn)行的直接探測，各國有不少這樣的實驗項目，其中我國四川錦屏地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質(zhì)實驗室。暗物質(zhì)粒子可以說是無處不在，每秒鐘可能有上億個暗物質(zhì)粒子穿過你的眼睛。當(dāng)然，由于它們隱身能力超強，我們對此毫無知覺。不過，根據(jù)理論，這些粒子仍會參與弱相互作用。這種力與電磁力不同，只能在原子核內(nèi)部發(fā)揮作用。因此，盡管暗物質(zhì)粒子是隱身的，并不意味著它們就可以橫沖直撞而不受任何阻擋。就像是荒不擇路的兔子一樣，它們也有可能一頭撞上原子核這個“樹樁”。被暗物質(zhì)粒子撞上的原子核會發(fā)光發(fā)熱，或者被撞得偏離了原來的位置，這些光和熱還有位置移動是科學(xué)家有可能探測到的。只可惜，原子核太小太小，暗物質(zhì)粒子撞上去的概率低到幾乎可以忽略。科學(xué)家只能采用一個笨辦法，準(zhǔn)備好一大片森林等兔子來撞。他們在巨大的探測器里裝上大量反應(yīng)物質(zhì)，等待過路的暗物質(zhì)粒子碰巧撞上其中某個原子核。當(dāng)然，為了盡可能排除其他粒子撞上原子核而產(chǎn)生的干擾，科學(xué)家往往把這樣的暗物質(zhì)探測器深埋在地下，讓厚厚的巖層把不會隱身的其他粒子盡可能屏蔽在外面。
第三種辦法，那就是等這些隱身的粒子自行現(xiàn)身。用暗物質(zhì)探測衛(wèi)星探測暗物質(zhì)是基于暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的假設(shè)，即暗物質(zhì)粒子的湮滅或衰變會形成各種正粒子、反粒子對，這些粒子對在太空中傳播就成了宇宙射線和伽馬射線的一部分。暗物質(zhì)探測衛(wèi)星就是收集高能宇宙射線粒子和伽馬射線光子，通過分析其能譜、空間分布來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。“悟空”暗物質(zhì)探測衛(wèi)星采用的便是第三種辦法，到太空中探測高能粒子和伽馬射線，期望從中能夠找到暗物質(zhì)存在的證據(jù)，并推斷出它們的某些性質(zhì)。
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星如何施展“神通”？
暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是我國第一顆由中科院自主研究、生產(chǎn)的衛(wèi)星。同以前的衛(wèi)星和國際同類衛(wèi)星相比，它具有創(chuàng)新性。
首先，這顆衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)不同于以往我國發(fā)射的衛(wèi)星，它是以載荷（探測器）為中心的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計。中國科技大學(xué)教授、暗物質(zhì)探測衛(wèi)星副總設(shè)計師安琦說，以往衛(wèi)星都是設(shè)計一個平臺，相當(dāng)于一個容器，然后把有效載荷置于其中，這時的有效載荷只能委屈地適應(yīng)容器。而暗物質(zhì)探測衛(wèi)星的設(shè)計是以載荷為中心，先把有效載荷集中安置好，再把衛(wèi)星的其他部分見縫插針地“鑲嵌”在有效載荷的邊上。這種設(shè)計使得有效載荷達(dá)到1410千克，平臺僅為440千克，二者達(dá)到了3.2∶1。這種載荷比在世界上都是極高的。
其次，它是目前世界上觀測能段范圍最寬、空間和能量分辨率世界領(lǐng)先的高能粒子探測器。暗物質(zhì)粒子探測器屬于大型空間高能觀測設(shè)備，它可以精確測量宇宙高能粒子的物理特征和空間分布。它的能段是國際“阿爾法磁譜儀”實驗的10倍，探測器能量分辨比國際同類探測器高3倍以上。
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