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“悟空”遨游太空一年,找到暗物质了么?

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(原标题:“悟空”遨游太空一年,找到暗物质了么?)

原标题:“悟空遨游太空一年,找到了啥?

17日,一只“猴子”在茫茫宇宙中迎来一周岁生日。

作为中国科学卫星系列的首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空整整一年。“悟空”身体健康吗?工作业绩怎么样?科学目标实现了多少?找到暗物质存在的证据了吗?第一批科学结果何时向全世界公布?

新华社记者帮你揭秘。

猴年“猴赛雷”,年度考评获“双优”

17日上午九点半,紫金山天文台暗物质卫星监控大厅中,一个三层高的暗物质卫星主题蛋糕吸引了大家的目光,一群科学家为平稳运行一年的暗物质卫星“悟空”开了一场“生日宴会”。

庆生之际,这只太空“猴子”也获得了年度考评双优的佳绩。15日至16日在南京举行的“悟空”升空一周年学术年会上,所有参会的中外暗物质研究专家都给“悟空”的表现打了100分。

——“悟空”体检。4个有效载荷中,塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器都100%正常工作,硅径迹探测器99.85%正常工作,也大幅度优于原定的97.5%的指标。结论:100分。

——“悟空”工作业绩。在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面都取得了重要进展,全面实现或超过了设计指标。迄今已完成全天区覆盖两次,共探测有效事例18亿个。结论:等级“优秀”。

“天性奔放的 悟空 ,上了天比在地上更 精神 。”科学家们总结。

中科院暗物质项目监理组给出的结论是:“我们从项目启动就从第三方视角对该工程进行监理。卫星工程取得了圆满成功,目前卫星在轨运行正常,有效载荷工作稳定,科学团队在紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进的带领下,以科学态度兢兢业业、踏实工作,希望再接再厉,争取在该领域取得突破。”

“高分辨率的观测效果 比预想更好 。”日内瓦大学教授吴欣说,“7万多路探测粒子信道目前工作正常,备用的器件都没有用上,设计寿命3年,期望运行5到10年。同时,收集到目标粒子越来越多,绘制的能谱越来越稳定,有望早日取得突破性发现。”

意大利佩鲁贾大学博士乔万尼·安布罗西说:“ 悟空 是中国的首颗空间高能粒子探测卫星,也是中国的首颗空间科学卫星。我们很高兴看到它运行状况优异,且数据分析取得重要进展。”

意大利萨兰托大学教授伊万·德米特里教授说:“ 悟空 已经顺利地运行一年,数据的质量很好。我们将继续努力,争取在宇宙线数据分析方面做出重要贡献。”

而对于照料悟空“起居”的卫星监控团队来说,值班流程的不断简化,是小“猴子”健康成长的直接体现。

“上天初期,每天两班人马轮番上阵,出现问题第一时间处理;如今,不正常的情况相当罕见,只要办公室有人在就可以代为查看。”暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健说。

尽管如此,大家也不敢懈怠,仍在不断优化在轨标定的方案,以尽量短的时间实现对探测器各子探测器的可靠标定,并充分利用这些数据加快对物理事例重建软件的研发。

2015年12月24日,中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅屏幕上显示接收到第一批科学数据。新华社记者 金立旺 摄

  2015年12月24日,中科院国家空间科学中心空间科学任务大厅屏幕上显示接收到第一批科学数据。新华社记者 金立旺 摄

前方高能!能谱、“天图”日益清晰

“前方高能——”“悟空”几乎每天都太空中大喊。这是因为,超高能电子是“悟空”的主要“目标”。

据统计,从其一年捕获的18亿个粒子中,5GEV到10TEV区间的高能电子数量已经达到100万个。“超高能电子”为何至关重要?因为它们可能来自于暗物质湮灭。

“挑出有用的电子好比在地球上寻找一种具有特征的人,目前看来, 悟空 挑得稳准狠!”常进解释说,挑选的过程当然不轻松,“悟空”每天传送回来500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,光子的数量还要少很多。因此,要想研究电子和光子的分布,必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的信息。

高分辨率的观测效果“比预想更好”,除了体现在不断积累“超高能电子”,还体现在用一年时间完成的一张全天伽马射线图。这是国际上仅有的3幅GEV辐射天图之一。

不仅如此,“悟空”的火眼金睛,还在18亿个粒子中发现了一些现有基本的物理知识“解释不了”的奇怪现象。

暗物质卫星科学应用系统副总师范一中的责任是通过数据分析寻找能谱上的“怪异之处”。他告诉记者,科学家们利用“悟空”捕获粒子,从中筛选高能电子宇宙线的能谱数据。“惊喜就隐藏在这能谱的结构中, 正常 的能谱结构一定是光滑的,如果发生了现有理论解释不了的能谱结构,那么至少是新的天文现象,也很可能就是暗物质的信号。”范一中说。

“对比上天前的三大科学任务,可以负责任地说, 悟空'的表现超出预期,正在打开物理新窗口的道路上稳步前进!”常进说,我们需要的是时间,需要数据的积累。现在的数据在以1天数百颗光子的速度累积。

2015年12月24日,中科院国家空间科学中心工作人员在空间科学任务大厅监视卫星综合状态。新华社记者 金立旺 摄

  2015年12月24日,中科院国家空间科学中心工作人员在空间科学任务大厅监视卫星综合状态。新华社记者 金立旺 摄

驱散“乌云”,“悟空”的使命

暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。然而为什么有暗物质,什么形态,何种规律,人类仍然知之甚少。

毫无疑问,科学家寻找暗物质的征程绝不平坦,甚至不排除无功而返的可能性。

12月9日,由诺贝尔奖获奖者丁肇中领导的阿尔法磁谱仪(AMS)发布了5年的最新实验成果。丁肇中解释说,目前测量到的基本粒子数据与暗物质碰撞产生基本粒子的理论相符合,即目前所测量到的现象与人们对暗物质的预测是吻合的,但也不能排除特殊天体物理过程。但是,现在还不能肯定已经找到暗物质,还需要进一步积累数据。

而在今年7月,我国锦屏地下实验室PANDAX(熊猫计划)也宣布,在3.3万公斤/天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹。从乐观的角度来看,该计划对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。

目前,世界上有数十项实验通过直接或间接的方法探测暗物质粒子。随着灵敏度逐渐提升,暗物质粒子的剩余参数空间越来越小。而对比AMS与PAN-DAX等一大批探测手段,“悟空”具有3个世界之最的先天优势:最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领,因此有望在暗物质间接探测中取得重要成果。

2015年12月24日,中科院国家空间科学中心工作人员在监测数据。新华社记者 金立旺 摄

  2015年12月24日,中科院国家空间科学中心工作人员在监测数据。新华社记者 金立旺 摄

“ 悟空 上天一年,已经探测了18亿个粒子,高能TEV以上一年的观测数据相当于AMS的5到10年的数据总量。”常进说。

神秘物质占据了宇宙总质量的绝大部分,人类却看不见。功夫最好的“悟空”能否彻底拨开现代物理学头顶的乌云,让人类真正了解肉眼之外,自己所处的真实世界?

“我们的最新成果将在2017年初正式公布。”常进说。

科学界认为,揭开暗物质之谜,将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,人们认识自然规律的又一次重大飞跃。它可能让人类更加深刻认识,甚至颠覆人类对基本的物质构成的规律。

这就是“悟空”的使命!

“悟空”的“师傅”

中科院紫金山天文台办公楼三楼拐角,有一个挂着“DAMPE”标签的房间。这个不起眼的房间,正是我国暗物质粒子探测卫星“悟空”在地面的数据处理中枢——暗物质与空间天文实验室。“悟空”捕捉的每一点信息,都传回这里校准、分析。

忙碌在这个实验室中的科学家,都是“悟空”的“师傅”。

“师傅”常进:我是“科研工头”

《西游记》中美猴王的师傅是高僧玄奘,而遨游在太空中的“悟空”,“师傅”是紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进。

暗物质卫星上天,是对常进20多年来致力于宇宙高能电子、伽马射线探测技术研究的最好回报。

1999年,常进首次提出探测器可靠区分质子、电子的新技术。这一技术后来被应用于包括美国南极长周期气球探测实验、暗物质粒子探测卫星等多个国际探测项目。

基于几次南极实验的数据,常进率领的研究团队于2008年在国际权威学术刊物《自然》上发表文章,介绍了有关宇宙高能电子异常的发现。这一发现被美国物理协会和欧洲物理协会评为当年世界物理学领域的重大研究进展,引发新一轮国际探索暗物质热潮。

这一成果也促成暗物质粒子探测卫星在2011年正式立项。

“我就是个 工头 ,领着一帮搞科研的踏踏实实往前干。”常进说,“我更希望自己是个 常大锤 ,碰到难题砸得下去、遇到责任顶得起来。”

“秘书”郭建华:给探测器“体检”

“悟空”上天后,暗物质卫星有效载荷副总设计师郭建华立即转做“体检师”,每天监测“悟空”在天上的“冷暖”与健康,给“悟空”安排日程。

怎么保证探测器状态正常?郭建华说,监测卫星姿态很重要,保持卫星太阳帆板始终对准太阳,才能维持能源供给和探测器温度稳定。

每天清晨和傍晚,“悟空”路过中国,位于密云、喀什、三亚的三个数据接收点就启动程序,接收“悟空”每天回传的约13G数据。这些数据经过简单处理,全部传回南京的暗物质实验室进行系统分析,这其中,就包含有郭建华监控的卫星姿态信息和探测器状态信息。

“探测器建造过程中,我们还进行过环境模拟实验。拿当时地面测到的电流、电压等与现在轨道中传回的数据比较,结果互相吻合,也能帮我们判断探测器工作状态正常。”郭建华说。

除了每天为探测器“体检”,郭建华的工作还包括参与安排“悟空”在天上的工作计划。

“ 悟空 在太空中精神抖擞,其实它的每一个动作,背后都有科学家周密的安排。”郭建华说,科研团队要提前制定“悟空”的工作计划,每周分两次由位于西安的测控中心传送给卫星上的计算机。这样,“美猴王”才能在天上指哪儿看哪儿、火眼金睛。

“翻译”伍健:7万个信号还原1个轨迹

从“悟空”在天捕捉到原始数据、到理论学者分析形成重大发现,中间关键的一环,是要将“太空密码”翻译成能被科学家运用的高级物理信息。

担任“首席翻译官”的,是暗物质卫星科学应用系统总设计师伍健。

伍健解释,翻译数据的过程主要可划分为两步,第一步称为标定。标定要把二进制电子信号统一转换成能量。简单来讲,能量是一种更为“通用”的科学语言,有了它,科研人员就能继续进行下一步数据分析。

掌握了入射离子的能量数据,第二步才是对“翻译”最大的挑战:数据重建。“有了能量信息不代表获知了粒子的真实情况,难题才刚刚开始。”伍健说,数据重建可以用两个词来形容:“大海捞针”“盲人摸象”。“悟空”每天传送回500万个粒子信息,其中只有0.1%是有用的电子,目标光子的数量还要更少。研究人员准确分析目标粒子,首先要剔除99%以上的质子等本底信息。

此外,粒子与能量信号并非一一对应。入射的粒子由于发生簇射反映,可能在探测器里留下几百、乃至几千路信号。要把这成百上千路信号综合在一起,才能大致还原出目标粒子的电荷、运动方向等基本信息。

“粒子特征不一样,适用的方法也不一样。为提高准确率,科研人员一直在不断修正标定和重建的模板,到现在总共修改了4600多次。最复杂的一次,我们汇总了7万多路信号才还原出1个粒子信息。”伍健说。

“经纪人”范一中:“悟空”的“铁杆粉”

暗物质卫星科学应用系统副总师范一中,领导着科学理论团队。每天,他紧盯同事们“翻译”出的高级物理信息,不放过一丝一毫暗物质幽灵可能留下的痕迹。

尽管是“悟空师傅团”的一员,但范一中却自称是这只太空“猴子”的“铁杆粉”。

“2010年, 悟空 团队联系到还在国外工作的我,希望我能回国参与到中国暗物质卫星的项目,我没有犹豫立刻答应下来。”范一中说,“悟空”凝聚了整个研制团队的心血,看着它表现越来越好,科研人员都很兴奋,“卫星上天、回传数据的每个重要节点,都是我们科研人员的大日子!”

目前,范一中等科学分析专家,正在应用系统提供的入射粒子方向、能量等信息,紧锣密鼓地绘制高能电子和伽马射线能谱。

“越是 奇怪 少见 的粒子和能谱结构,越是我们紧盯的目标。天上的 悟空 火眼金睛,地上的科研人员也睁大了眼睛,争取早日有所发现!”范一中说。

记者:蔡玉高、蒋芳、王珏玢

新媒体编辑:南辰、李明、高皓亮

(原标题:“悟空”遨游太空一年,找到暗物质了么?)

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