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暗物質衛星“悟空”探天再立新功 首次利用空間實驗精確繪出高能質子宇宙射線能譜

國慶期間,中科院紫金山天文臺內暗物質衛星監控大廳內,仍有科研人員在加班。當全國上下都沉浸在國慶的氛圍中,作為我國第一顆天文衛星——“悟空”依舊奔跑在500公里高的太陽同步軌道上,忙忙碌碌。

“快四年了,那只‘猴子’沒有讓我們失望過。”暗物質衛星首席科學家常進說,近日,它又給大家帶來了新的驚喜。基于前兩年半的數據,“悟空”在國際上首次利用空間實驗精確繪出高能質子宇宙射線能譜,并觀察到能譜新結構。這一成果的科學意義和極限的想象空間在哪里?記者專訪了科研團隊為公眾揭秘。

指引人類找到一處宇宙線源

宇宙線是什么?自1912年發現宇宙線以來,其起源與加速機制之謎至今未能解開。

現實中,大氣層保護之下的人類,只能從絢爛的極光里感受到它存在。事實上,地球每時每刻都與它“親密接觸”,在海平面處,每個硬幣大小的面積上平均每分鐘就有一個宇宙線粒子穿過,對比地面能量最高的粒子加速器,宇宙線的威力是前者的1000萬倍……

經受了兩年半時間、上億次的轟擊之后,悟空“攔截”下了2000萬顆高能質子宇宙線,繪制了一張最高能量達100 TeV(1TeV=1萬億電子伏特)的宇宙線能譜圖。科研人員在這張圖上看到質子流量先上升、后下降的“拐折”結構,這到底意味著什么?

“這樣的結構,尤其是后半段的下降結構,在以前地面、空間觀測中都未曾發現。這很大程度上是由于與國際同類探測器比較,‘悟空’在高能段的測量性能優勢明顯,讓我們看得更清楚,看到了前人未曾看見的現象。”負責數據分析的暗物質衛星團隊成員岳川說。

除了因精度更高打開的新視野,科學家進一步分析推測該“拐折”結構可能是某個鄰近地球的宇宙線源留下的印記。

暗物質衛星項目組成員、中科院紫金山天文臺研究員袁強說:“如果宇宙射線源均勻地分布在銀河系中,我們應該看到平滑的能譜。之所以出現‘拐折’,很可能是由于地球正好毗鄰某個宇宙線源。”

科研人員說,空間探測器受限于“個頭”太小,能夠接收的數據有限,而地面探測器則可以達到很大規模,記錄下更多的數據。此次研究的意義還在于,可以通過這一觀測結果為下一階段地面宇宙線研究指明方向。如果后續研究可以積累更多的數據,我們有望直接定位這一鄰近的宇宙線源。

指導研制更高能量粒子加速器

自1912年被發現以來,宇宙線便不斷給人類送來打開微觀世界的鑰匙。通過研究宇宙線,人類發現了正電子、μ子、π介子等重要粒子,相關研究也多次獲得諾貝爾獎。2012年,歐洲核子中心借由目前世界最大的粒子對撞機——大型強子對撞機發現了希格斯玻色子。

追求“更高能、更細微、更強大”,高能物理學家有著不輸運動員的競技精神。國內外科學家建造了數臺粒子加速器,試圖破解物質更深層次結構和更基本的相互作用規律。然而,宇宙總能輕而易舉地將人類“秒殺”。來自于銀河系外的最高能量的宇宙線,能量超過10的20次方電子伏特,幾乎是北京正負電子對撞機所能加速出粒子能量的1000億倍。

到底是怎樣的加速機制,讓“微觀粒子”擁有相當于“宏觀物體”的能量?科學家大膽設想,探究宇宙線的粒子加速原理,或可用于指導人類研制更高能量的粒子加速器。而由“悟空”參與其中的宇宙線研究,或將使物理學煥發新的活力。

“宇宙線源相當于一個天然的超級粒子加速器。既然人造對撞機填上了標準模型的空白,那么大膽設想,探究宇宙線中的高能粒子,很可能帶我們打開現有物理模型之外的新世界。”中科院紫金山天文臺研究員范一中說。

袁強認為,人類研制加速器,每突破一個能量級別,技術難度和成本會指數級增加。因此,借助宇宙線研究極高能粒子, 探究宇宙線的加速機制,有望拓展人類對物理規律的認識,獲得超越加速器的突破性成就。

“悟空”將超期服役至2020年

“悟空”是我國發射的第一顆天文衛星,于2015年12月17日升空工作,原計劃在天運行3年。已經超期服役的“悟空”如今性能如何?

據了解,2017年以來,“悟空”相繼在電子、質子宇宙線測量方面取得突破性進展,標志著我國空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。接下來,“悟空”合作組還將陸續發表更重的核素能譜測量結果,可望發現不同宇宙線核素能譜拐折結構規律,這將進一步揭示高能宇宙線的加速機制和與星際介質的相互作用等物理問題。

暗物質衛星首席科學家常進說,衛星在軌運行近4年來,各有效載荷運行良好,已總計獲取約70億個粒子的信息,關鍵科學工作正在持續推進。從此次最新的研究成果來看,與國際同類探測器比較,“悟空”繪出的質子宇宙線能譜,在1-100 TeV能段精度最高,其能量上限,比著名物理學家丁肇中領導的阿爾法磁譜儀實驗高出約50倍,比日本學者領銜的量能器電子望遠鏡實驗高出10倍。

“悟空將延期服役至2020年,同時我們也已經在為下一代空間高能伽馬和粒子探測實驗做準備。”范一中透露,團隊已經在開展關鍵技術預研,新的探測器將改進設計,強化低能粒子篩選能力和伽馬射線探測能力等,預計總探測效能達到目前的10倍以上。(記者蔣芳、王玨玢)

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