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        為什么要尋找暗物質(zhì)

        2016-03-23 19:16:06吳晶晶喻菲楊維漢
        公務(wù)員文萃 2016年3期
        關(guān)鍵詞:暗物質(zhì)悟空探測器

        吳晶晶+喻菲+楊維漢

        當我們仰望星空,其實只看到了宇宙的冰山一角。科學家將宇宙比喻成一個由三部分組成的大餅:5%的普通物質(zhì),27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量。人類所熟悉的普通物質(zhì),只是零星散布的些許點綴,就像夜幕中無邊大海上的一點閃光,宇宙的絕大部分對人類來說是隱藏和最難了解的。

        2015年12月17日清晨,數(shù)百位科學家、工程師、學生冒著零下15攝氏度的嚴寒來到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射現(xiàn)場觀看,他們搓著手、跺著腳,興奮地等待著這一時刻。8時12分,在觀眾的屏息凝視下,長二丁火箭帶著1.9噸重的中國科學衛(wèi)星系列首發(fā)星——暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”徐徐升上天空,大地震顫。火箭向東南方向的天空越飛越遠,最后化作天上的一顆星逐漸消失在視野中。

        10多分鐘后,“悟空”成功抵達在地球上空500公里高的太陽同步軌道,它將用“火眼金睛”幫助科學家窺探披著“隱身衣”的暗物質(zhì),回答現(xiàn)代物理學界最長時間沒有找到答案的深奧之謎。中國科學院國家空間科學中心將暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星命名為“悟空”,取義“領(lǐng)悟、探索太空”??茖W家們期待該衛(wèi)星能在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心“勇敢飛天”?!斑@是中國科學家首次在太空中放置自己的高分辨高能空間望遠鏡,”暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學家、紫金山天文臺副臺長常進說,“它有望深刻地變革人類的宇宙觀,實現(xiàn)空間科學重大突破?!?/p>

        “悟空”是中國古典名著《西游記》的主角,其形象家喻戶曉,“美猴王”(Monkey King)之稱也在海內(nèi)外廣為流傳。當日有網(wǎng)友在暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的官方微博留言稱:“大圣,這一路孤獨無所伴,愿你和千萬年前的那無所畏懼的猴子一樣所向披靡。”

        為什么要尋找暗物質(zhì)?

        暗物質(zhì),披著隱身衣的“宇宙幽靈”,科學家僅知道它們存在,卻無法探測到它們。對常進來說,暗物質(zhì)就像一個從未謀面的朋友,既親切又陌生。

        “宇宙中,我們能看見的物質(zhì),都因為帶有電子而能‘發(fā)光,我們能觸碰一張桌子、一面墻,感覺到它們的存在,是因為有電磁場的相互作用。而暗物質(zhì)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?!背_M說,“因此盡管我們周圍存在暗物質(zhì),例如平均1立方厘米的空氣中可能就有上千顆暗物質(zhì)粒子,但我們并不能看到或感覺到?!?/p>

        科學家們認為,暗物質(zhì)是宇宙大爆炸的產(chǎn)物,在宇宙演化中起著決定性作用,也決定著宇宙未來的命運。同時,暗物質(zhì)和暗能量的研究在基礎(chǔ)物理學中也有著重要意義,因為科學界公認的粒子物理標準模型僅能解釋占宇宙5%的普通物質(zhì),卻無法解釋暗物質(zhì)和暗能量。

        因此,暗物質(zhì)和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上的兩朵”烏云”。美國科學家在一份報告中列出21世紀要解答的11個科學問題,“什么是暗物質(zhì)”被列在第—位。

        科學界公認,揭開暗物質(zhì)之謎將是繼日心說、萬有引力定律、相對論及量子力學之后的又一次重大飛躍,將帶來物理學的又一次革命。

        中科院國家空間科學中心主任吳季說,暗物質(zhì)粒子的探測目前是國際科學前沿競爭最為激烈的研究領(lǐng)域,全世界的科學家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)、暗能量及其隱藏的巨大科學寶藏。

        暗物質(zhì)距離人類生活如此遙遠,為什么還要花這么多時間、精力和成本去尋找?科學家們回答,這一方面源自人類對于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(nèi)無法顯現(xiàn),但往往能帶來一些“副產(chǎn)品”,給科技和生活帶來變革。

        “悟空”怎樣施展“神通”?

        暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”的長寬高只有1.5米、1.5米、1.2米,比一張辦公桌大不了多少。

        “它體積雖小,功能卻非常強大。”常進介紹,衛(wèi)星有效載荷初樣件在歐洲核子中心(CERN)進行了3次束流實驗來測試各項物理性能指標,表明它具有能量分辨率高、測量能量范圍大和本底抑制能力強三大優(yōu)勢。

        衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師李華旺介紹,衛(wèi)星由4個科學探測有效載荷組成,分別是塑閃陣列探測器、硅陣列探測器、BGO量能器和中子探測器,共同構(gòu)成一個高能粒子探測器望遠鏡。4個探測器由上到下摞在一起,就像一個四層“大蛋糕”,它們各司其職,又聯(lián)合執(zhí)行任務(wù),可以高精度地測量入射粒子的種類、方向、能量和電荷。

        進入太空后,“悟空”將在500公里太陽同步軌道上運行。它將采取兩種觀測模式:在頭兩年采用巡天觀測模式,由于暗物質(zhì)可能存在于全天區(qū)的任何區(qū)域,所以第一階段對全天掃描;兩年后衛(wèi)星轉(zhuǎn)入定向觀測模式,根據(jù)全天區(qū)探測的結(jié)果分析出暗物質(zhì)最可能出現(xiàn)的區(qū)域,并針對這些區(qū)域開展定向觀測。

        衛(wèi)星每天將傳回約16G數(shù)據(jù)量,地面100余人的科學家團隊將對數(shù)據(jù)展開分析研究。首批科學成果可能在6個月至1年后發(fā)布。

        在太空創(chuàng)造中國的第一次

        自暗物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)80多年來,科學家還從未探測到暗物質(zhì)的明確信號。常進坦言,如果期望暗物質(zhì)衛(wèi)星一下就能準確找到暗物質(zhì),這個期望指數(shù)太高了。暗物質(zhì)的基本物理性質(zhì)還沒有弄清楚,沒有人能百分之百保證找到暗物質(zhì)。

        “但只要衛(wèi)星工作正常,就為我們打開了一扇觀測宇宙的新窗口,必然會發(fā)現(xiàn)很多新奇的現(xiàn)象?!背_M說,“衛(wèi)星除了尋找暗物質(zhì)外,還是一個宇宙射線望遠鏡,可以研究宇宙射線的起源、傳播和加速。宇宙射線發(fā)現(xiàn)了將近100年,但那么高能量的宇宙射線究竟來自于什么?人類到現(xiàn)在也沒有弄清楚,這很奇怪?!?/p>

        常進說,尋找暗物質(zhì)需要全世界科學家的共同努力,何時能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)尚難以預計。至于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)后能如何利用,常進介紹,量子物理剛發(fā)現(xiàn)時,人們認為一點用處都沒有,但是現(xiàn)在什么都與量子物理有關(guān)系。

        “我們只有弄清暗物質(zhì)的物理本質(zhì)以后,才能說它對未來產(chǎn)生什么作用,但是物理的進步會導致科技的進步,這是百分之百肯定的?!彼f。

        暗物質(zhì)衛(wèi)星工程總師艾長春說,以前中國科學家只能將研制的儀器搭載在其他衛(wèi)星上開展空間科學研究,發(fā)射 “悟空”,是第一次由中國科學家主導的大型空間科學實驗。

        有專家稱,中國第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射已有45年,但中國的空間科學衛(wèi)星還未成系列。現(xiàn)在中國已成為航天大國,要向航天強國轉(zhuǎn)變,就不能沒有空間科學衛(wèi)星。

        目前中國基礎(chǔ)研究投入占總研發(fā)投入比重僅為5%左右,而美國、德國分別為40%、28%。常進說:“以前我們和國際上差太多了,人家跟我們都不討論。今天在某些領(lǐng)域,我們和國際同行平起平坐。只要大家埋頭干,中國的科學家會在不久的將來取得一系列重大突破?!?/p>

        (摘自《人民周刊》)

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