大陸將發射首顆暗物質探測衛星 造價35億元

暗物質粒子探測衛星示意圖。

在天文學界和物理學界,有一個被科學家稱為世紀之謎的問題待解,這便是暗物質。為了探究這個奧秘,找到暗物質粒子存在的證據,2011年,中國科學院正式將暗物質粒子探測衛星列入中國科學院戰略先導專項空間科學專案,並作為大陸科學衛星系列的首發衛星。

根據人民日報報導,經過4年多的籌備,衛星已經完成研製並整體交付。今(2015)年年底,暗物質粒子探測衛星將在酒泉衛星發射基地擇機發射。9月29日,探測衛星的牽頭研製單位——中國科學院紫金山天文台在南京舉行了衛星全球徵名活動的啟動儀式。

暗物質是什麼
不帶電荷也沒有電磁場相互作用,像幽靈一樣能穿透阻礙物

『千萬別相信你的眼睛,有些東西不是用眼睛就可以看到的,比如說暗物質。』談到這個話題,暗物質粒子探測衛星首席科學家、紫金山天文台研究員常進就像在說一個從未謀面的朋友,既親切又陌生。

暗物質是什麼?『宇宙中,我們能看見的物質,都因為帶有電子而能「發光」,而我們能觸碰一張桌子、一面牆,感覺到它們的存在,是因為有電磁場的相互作用。與此不同,暗物質是不帶電荷的,也沒有電磁場的相互作用,能像幽靈一樣穿透阻礙物,不著痕跡地從身邊飛走。因此儘管我們周圍存在暗物質,例如平均1立方公分的空氣中可能就有上千顆暗物質粒子,但並不能為我們所看到或感覺到。』 常進說。

那麼我們判斷其存在的根據是什麼?

暗物質粒子探測衛星專案組成員、紫金山天文台助理研究員馮磊介紹,支持暗物質假說主要的觀測證據之一是旋轉曲線。行星圍繞著恆星旋轉,其速度由這兩者吸引力的大小決定,而吸引力的大小又取決於兩者的質量。在研究漩渦星系時,科學家發現,其吸引力所需要的質量遠遠超出我們所能觀測到的物質總量,否則行星就會衝破引力的束縛飛向茫茫宇宙,因此進一步推斷,在人類已知的物質之外,還有另外一種物質存在。

此外,引力透鏡的一些發現也支持著暗物質假說的成立。和光線透過玻璃透鏡會偏轉一樣,宇宙線在透過大質量的物質周圍時也會發生偏轉。科學家們在研究子彈頭星系團時發現,主要導致光線發生偏轉的地方並沒有看得見的物質存在,這說明,有一種我們所看不到的暗物質存在。此外,對暗物質的假設還立足於對宇宙微波背景以及Ia型超新星的觀測等。

用什麼方式找
目前主要透過散射實驗、湮滅實驗以及產生實驗這三種方式

尋找暗物質的過程對科學家們來說,就像是和幽靈捉迷藏。到底怎樣才能找到暗物質呢?常進介紹,目前世界範圍內大致有三種方法來對暗物質進行捕獲。第一種是基於暗物質能與普通物質產生互相作用的假設。

簡單地說,研究過程就是將一個靜止的靶子設置好,如果暗物質打進來,帶電原子核就會飛出去,科學家也將能捕獲其信號。目前,各國有不少這樣的散射實驗專案,其中大陸四川錦屏的地下實驗室是目前世界上最深的研究暗物質實驗室。在這個領域,歐洲的DAMA實驗團隊曾聲稱已經觀測到暗物質,但包括美國LUS團隊和四川錦屏團隊在內的其他探索,均未證實此發現。

散射實驗如此之難,於是產生了第二種方法,觀測暗物質衰變或湮滅後產生的可見粒子。這種方法是基於暗物質自身會湮滅產生可見物質的假設。常進介紹,世界上的物質都有反物質,當一個物質遇到一個反物質的時候,兩者都會被摧毀,由此產生巨大的能量。但是暗物質非常獨特,它的反物質就是本身,如果暗物質粒子和自身的反物質粒子發生碰撞,那麼所產生的能量將更大。

假如能夠監測到暗物質粒子碰撞後產生的是高能電子,其流量遠高於正常值,透過這種湮滅實驗間接證明瞭有暗物質的產生。諾貝爾獎獲得者丁肇中研製並放置在國際空間站的阿爾法磁譜儀2號、上個月日本發射的量能器電子望遠鏡,以及大陸即將發射的暗物質粒子探測衛星等,都是基於對宇宙線的探測而尋找暗物質的間接嘗試。

還有一種尋找暗物質的方法,是基於可見物質相互作用能產生暗物質的假設,用大型質子對撞機探測,兩束高能粒子對撞產生暗物質粒子,也就是產生實驗。例如在歐洲核子中心,就有此方面的研究,但目前尚未發現新的證據。

衛星如何找
透過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質粒子

為了進一步尋找暗物質,2011年,中科院紫金山天文台自主提出暗物質粒子探測衛星計劃。2015年底,首顆探測衛星將被放入外太空尋找暗物質。

這與以往的探測手段相比有什麼優勢?

『在地球表面,宇宙線經過大氣層時被遮罩了,這阻礙了觀測。所以我們需要「上天」或者「入地」,以減少遮罩干擾。』暗物質衛星科學應用系統總設計師伍健介紹,和此前的探索手段相比,暗物質粒子探測衛星能探測的粒子的最大能量大約是阿爾法磁譜儀2號的10倍;同時,能量解析度更高,比NASA費米衛星的准確率提升了10倍,並能觀測阿爾法磁譜儀2號所無法觀測的光子;此外,還提高了電子與質子相互區別的能力,將對兩者的誤判下降到幾十萬分之一。

值得一提的是,在以往的探測手段中,熱氣球雖然造價低,但運行不太穩定;阿爾法磁譜儀2號雖然能夠長時間觀測,但耗資高,造價大約是20億美元。我們這顆衛星的造價約為7億元人民幣,相比之下耗資少,重量輕,被寄予厚望。

常進介紹,衛星的主要任務是透過探測宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質粒子。該衛星的有效載荷屬於大型空間高能設備,由塑閃陣列探測器、矽陣列探測器、BGO量能器和中子探測器四層科學探測器組成,包含近8萬路電子學信號通道,是世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的暗物質粒子空間探測器。

『它在發射升空後,將圍繞地球旋轉,四層科學探測器將面朝太空,全面接收來自宇宙的高能電子和伽馬射線。這相當於在宇宙中放置了一台除去大氣層面紗的「超高清望遠鏡」,所有收集到的科學資料將完整保存,並即時傳回地面。目前,衛星在透過驗收,並且在歐洲等地反覆實驗後,已整體交付給衛星發射系統。』常進說。

暗物質距離人類生活如此遙遠,科學家為什麼願意花這麼多時間、精力和成本去尋找?『這一方面源自人類對於未知的好奇心和求知欲,另一方面,科學研究的價值和意義雖然有時在短期內無法顯現,但卻往往能帶來一些效果顯著的「副產品」,給科技和生活帶來變革。』伍健說。例如在這顆衛星的研製過程中,曾需要一種BGO晶體,但此前世界範圍內最長的該類晶體只有30公分,科學家們為此更新了技術,實現晶體60公分的突破,並將其應用在工業和國防領域。

發射升空後,除了尋找和研究暗物質粒子,這顆衛星還將致力於研究宇宙線起源和伽馬射線等,推動大陸空間科學發展。