中国暗物质探测卫星发现宇宙中或存新粒子

当前位置：主页 > 行业资讯 > 中国暗物质探测卫星发现宇宙中或存新粒子

中国暗物质探测卫星发现宇宙中或存新粒子

作者：竹蜻蜓知识产权 2017-12-02 12:13

2017年11月30日凌晨两点，《自然》杂志在线发表一篇来自中国的重量级科研成果，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号获得世界上最精确的高能电子宇宙线能谱，并在1.4TeV(万亿电子伏特)处发现反常结构，揭示宇宙中或存在相应质量的新粒子。如果这一发现得以确证，将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，现有的很多理论包括暗物质模型都将受到冲击。专利申请流程详见竹蜻蜓网站。

“悟空”号获世界上最精确的高能电子宇宙线能谱，揭示宇宙中或存在新物理粒子，如经确认，现有暗物质理论将受冲击。

1什么是暗物质？怎样探测暗物质？

大家都知道，因为万有引力的存在，星系团内所有星系都绕着其中心旋转。每个星系的运动速度必须与束缚它的引力达成平衡才不至出轨；而且引力越强，其运动速度越快。实际观测却发现，星系的转速比根据牛顿和爱因斯坦的引力理论计算的结果大很多。说明宇宙中还存在着一类看不见的物质，在为星系提供引力。科学家称之为“暗物质”。

暗物质看不见摸不着，也不参与电磁相互作用，因此不能用任何光学手段直接观测。但是它的存在却关系着宇宙的演化与发展、物质的结构和起源、天体的形成和分布，其物理本质是目前国际上粒子物理和天体物理领域的最重大问题之一。

科学家认为，暗物质粒子相互碰撞，会产生数量可观的（可见的）高能电子和伽马射线。这些粒子随着宇宙射线（来自外太空的高能粒子）中的其他粒子一起，铺天盖地向地球袭来。如果能准确捕捉到这些粒子的能量、位置分布，将为暗物质的存在提供有力证据。

看不见的暗物质粒子相互碰撞、湮灭，产生可见的正负电子、伽马射线等粒子。个人如何申请专利详询竹蜻蜓知识产权。

2悟空号的重大成果

“悟空”号暗物质粒子探测卫星，就是专为寻找暗物质而研制的。它采用中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法，实现了对宇宙射线中超高能电子、伽马射线的“经济实用型”观测。常进研究员担任卫星的首席科学家。

“悟空”卫星在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先，尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱（能谱指的是电子数目随能量的变化情况）信号。

悟空号暗物质粒子探测卫星在轨道上

“悟空”号自2015年12月17日发射升空以来，在轨工作530天，共采集了约28亿颗高能宇宙射线，其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。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，如图1所示。

与之前结果相比：

1“悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备（AMS-02, Fermi-LAT）有显著提高，拓展了我们观察宇宙的窗口。

2“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。

3 “悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1 TeV处的拐折，该拐折反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，其精确的下降行为对于判定部分（能量低于1 TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

尤为重要的是，“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4 TeV处存在能谱精细结构。这在理论上都未曾预料到！（该信号被专家认为可能来自一种质量为1.4TeV的新物理粒子的湮灭，或者某种奇特天体可以加速出单一能量的高能电子）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。

图1：“悟空”卫星工作530天得到的高精度宇宙射线电子能谱（红色数据点），以及和美国费米卫星测量结果（蓝点）、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果（绿点）的比较。

3科学家：新发现揭示了暗物质粒子可能存在的新证据

对于该次发现（精确的高能电子宇宙线能谱），暗物质卫星科学应用系统副总工程师、紫金山天文台研究员范一中解释道：“通常认为，电子宇宙射线来自天体物理源，比如脉冲星、超新星遗迹，但更吸引人的，是它们（中的一部分）可能来自于暗物质的湮灭和衰变。”

一般认为，1TeV以下的电子宇宙线能谱中的异常，可能来自于新天体物理源或暗物质的湮灭或衰变，但如果这一说法成立，就必须在谱线的高能部分中找到对应于这两种机制应有的“转折点”（即上文提到的“拐折”）。“转折点”以及其后的能谱下降行为反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力，下降行为的精准测量可能对于判定部分（能量低于1TeV）电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

由于以往测得的宇宙射线能谱高能部分不够宽，因而这种“截断点”难以看到。现在悟空号最精确的给出了这一数据：确实在1TeV附近存在这种转折。“我们真的很幸运，我们的确找到了这个转折。”范一中说到。

但谱线中1.4TeV处存在的跳变（即上文提到的“精细结构”），才是更吸引人的一个重大发现，之前没有任何理论物理学家预言过这一现象。

对此，紫金山天文台与中国科学技术大学的工作人员反复确认了1年半的时间。

要解释这一现象，“理论物理学家面临的选择是不多的，能谱此处的电子速度只比光速小十万亿分之一”，范一中说到。

对于这一新奇现象，中国科学院大学常务副校长、中科院院士吴岳良认为：有两种机制可能产生这种电子能谱。

一种是邻近天体短暂产生了高能电子，即现象来自“短暴源”，如脉冲星云、超新星遗迹。但是悟空号测得的能谱与通常脉冲星能谱的幂律指数有一定区别，表示该种可能性不大。

另一种则是宇宙中存在可以连续产生高能电子的天体，即现象来自“连续源”，比如暗物质聚集在距离比较近的中等质量黑洞周围，或是星系周围存在大量的质量为一千万倍太阳左右的暗物质子结构，形成一种“暗物质子晕”。

总之，“‘悟空’的暗物质实验观测到的1.4TeV附近的尖锐电子能谱，可以说揭示了暗物质粒子可能存在的新证据。”吴岳良说到。

目前悟空号还在持续收集数据，如果这一发现（1.4TeV处的跳变）得以确证，必将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现，现有的很多理论包括暗物质模型都将受到冲击。

中国暗物质探测卫星“悟空”到底有多牛？

“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

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和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由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2011年5月16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。

2011年5月16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在格林尼治标准时间2008年6月11日16:05由Delta 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2015年12月17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是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8keV至1MeV；另2个是锗酸铋晶体，侦测150keV至30MeV）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；STK由6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1cm、2mm、2mm，插在硅微条的第2、3、4层前面，用作光子转换；BGO有14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

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500GeV（1GeV=10亿电子伏特，而1TeV=1万亿电子伏特）的宇宙线。