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【bv1946伟德入口】我国成功发射暗物质粒子探测

2019-10-30 00:25
暗物质粒子探测卫星在轨交付仪式在京举行

[video:酒泉:我国暗物质粒子探测卫星发射成功]

  一旦该精细结构被后续数据确认,将是粒子物理或天体物理领域的突破性发现。

暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学的两朵新“乌云”,科学工作者为此用各种方法手段来探测暗物质暗能量的存在。由中国科学院紫金山天文台提出的空间科学探测卫星——暗物质粒子探测卫星就是用来间接探测暗物质粒子的专用卫星,也是我国科学卫星系列首发星。

科学网3月17日讯今天下午,我国空间科学系列首发星暗物质粒子探测卫星圆满完成三个月的在轨测试任务,顺利交付用户单位。暗物质粒子探测卫星由中国科学院微小卫星创新研究院抓总研制,中国科学院国家空间科学中心负责卫星工程大总体及地面支撑系统工作,中国科学院紫金山天文台负责科学应用系统研制、建设、运行,西安卫星测控中心负责卫星测控系统任务。今天,相关领导在交付使用证明书上签字。

12月17日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将暗物质粒子探测卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功,标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。

  北京时间11月30日凌晨2时,暗物质粒子探测卫星“悟空”的首篇论文成果在顶级学术期刊《自然》上在线发表。基于在轨运行的前530天收集的28亿高能宇宙射线,“悟空”科研团队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。

暗物质粒子探测卫星科学探测有效载荷由四层粒子探测器(塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器)组成,日前完成联试,顺利交付卫星总体。暗物质粒子探测卫星计划2015年年底发射,预期通过高空间分辨、宽能谱段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,同时在宇宙射线起源和伽玛射线天文学方面取得重大进展。

暗物质问题是目前的科学前沿。暗物质粒子探测卫星将通过高能量分辨和高空间分辨,观测高能电子和伽玛射线能谱和空间分布,寻找和研究暗物质粒子;通过测量TeV以上的高能电子能谱,研究宇宙线起源;通过测量宇宙线重离子能谱,研究宇宙线传播和加速机制。建造一台能量观测能段覆盖2GeV至10TeV,分辨优于1.5%(对800GeV电子和光子)的星载电磁量能器,将有望在暗物质粒子探测和宇宙线物理这两大科学难题上取得突破,同时为更好地研究伽玛射线天文学等相关重要科学问题提供一个新的平台。

作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项首批立项研制的4颗科学实验卫星之一,暗物质粒子探测卫星是我国第一颗完全由中科院研制、生产的卫星,也是我国空间科学卫星系列的首发星。

  值得一提的是,暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进在发布会上介绍到,数据初步显示,约1.4TeV(万亿电子伏特)处发现了异常的能谱精细结构,可能是新粒子存在的证据,也可能来自于某种天体物理现象。

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自2011年底立项以来,暗物质粒子探测卫星队伍经过不足四年时间,完成了从电性件、结构件、初样到飞行正样的各阶段的研制工作。2015年12月17日8时12分,搭载长征二号丁运载火箭,卫星成功进入500公里预定轨道。

其中,中科院国家空间科学中心负责暗物质粒子探测卫星工程大总体工作;中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统抓总并承担卫星平台的研制,紫金山天文台负责有效载荷抓总研制,中国科技大学、高能物理研究所、近代物理研究所、国家空间科学中心等参加;国家空间科学中心牵头负责地面支撑系统研制、建设和运行,遥感与数字地球研究所等参加;紫金山天文台负责科学应用系统研制、建设、运行。

bv1946伟德入口,  一旦该精细结构被后续数据确认,将是粒子物理或天体物理领域的突破性发现。

有效载荷联试现场

经过三个月的在轨测试,四大科学载荷——塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器功能性能稳定,上注至卫星的全部指令均正确执行,星地链路通畅,完成了所有既定的测试项目,卫星各项技术指标达到或超过了预期。

用于此次发射的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团所属上海航天技术研究院负责研制。这是长征系列运载火箭的第221次飞行。

  “经济适用型”的“火眼金睛”

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暗物质卫星自2015年12月20日接收到第一帧数传数据以来,卫星地面支撑系统累计接收数据494轨,累计接收原始数据文件约2.4TB,生成科学数据产品41类,总计110606个,数据产品总量约5.5TB,全部科学数据产品正确、完备,有力支撑了科学应用开展数据分析和科学研究。

暗物质粒子探测卫星工程包括立项论证、工程研制、在轨运行三个大阶段。其中2011年为立项论证,2012年至2015年为工程研制,2015年至2018年在轨运行。其三个主要科学目标分别是:通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽玛射线,在伽玛天文方面取得重要成果。

  “悟空”将在下个月迎来发射2周年纪念日。“悟空”卫星是中国科学院空间科学战略先导专项的首发星,也是中国首颗天文卫星。取名“悟空”,卫星被寄予了通过“火眼金睛”探测宇宙暗物质的使命。

有效载荷探测器联试宇宙线径迹重建图

截止到今日,暗物质卫星在轨飞行92天,共探测到4.6亿个高能粒子,完成了三分之二天区的扫描。目前数据分析正在紧张进行中,预计年底将公布首批科学成果。暗物质卫星预计在轨工作三年,前二年主要进行巡天观测,后一年根据前两年的观测结果,进行定点扫描探测。

暗物质粒子探测卫星工作轨道为高约500千米的晨昏太阳同步轨道。卫星采用了载荷平台一体化的创新设计,有效载荷质量1410公斤,平台质量440公斤,载荷平台比达3.2:1。根据载荷特点,卫星借鉴哈勃望远镜的设计理念,采用以载荷为中心的设计方案,暗物质粒子探测器位于整星中心,电子学机箱及平台各单机均布于探测器周围的隔板上,是国内首次采用。

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在交付仪式前,暗物质卫星首席科学家常进研究员向与会领导和专家作了对卫星下传科学数据初步科学研究情况的汇报,并对卫星寿命期的工作安排进行了介绍,他表示,科学家团队将充分利用卫星和载荷的优越性能,抓紧时间处理和分析卫星数据,争取早出成果。

暗物质粒子探测器属于大型空间高能设备,由塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器四个子载荷联合执行探测任务。整个探测器有42000路电子学读出电路,168路高压电源,接近8万路探测器通道数。暗物质粒子探测卫星要将所有探测器及其电子学安装在1个立方米的空间内,技术难度超过我国目前所有的上天高能探测设备。

  暗物质粒子探测卫星“悟空”号

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暗物质粒子探测器具有先进的科学探测指标,观测能段范围为5GeV-10TeV,能量分辨率优于1.5%,是世界上迄今为止观测能段范围最宽、空间和能量分辨率世界领先的高能粒子探测器,可以精确测量宇宙高能粒子(电子、伽玛、宇宙射线核素等)的物理特征和空间分布。

  占据宇宙95%密度的暗物质与暗能量虽不可见,但科学家们推测,暗物质粒子湮灭和衰变后,可能会产生看得见的普通高能粒子。只是这些粒子的信号十分微弱,容易被宇宙射线背景信号淹没,因此,“悟空”的“火眼金睛”,本质上就是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜。“悟空”探测器具体包括塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器4个载荷。

暗物质粒子探测卫星的成功发射和在轨运行,有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破,对于推动空间科学卫星系列可持续发展,促进我国在空间科学领域的创新发展具有重大意义。

  常进最早在1998年提出了分辨粒子种类的新探测技术,能实现对高能电子、伽玛射线的“经济适用型”观测,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信号。所谓能谱,就是电子数目随能量的变化情况。

除暗物质粒子探测卫星外,空间科学先导专项系列卫星工程在近期还将陆续发射三颗卫星,分别是量子科学实验卫星、“实践十号”返回式科学试验卫星以及硬X射线调制望远镜卫星。

  精度最高的电子能谱

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  为了寻找暗物质,“悟空”特别关注的特征性信号有三种:伽玛谱线、晕状分布伽玛射线和奇异电子能谱结构。它平均每秒,就能捕获60个高能粒子。

暗物质粒子探测卫星工程

  常进介绍道,“悟空”在轨运行的前530天采集了约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV以上的电子,基于这些数据“悟空”给出了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

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12月17日,搭载暗物质粒子探测卫星的长征二号丁运载火箭升空。当日8时12分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空。 新华社记者 金立旺 摄

  “悟空”的“火眼金睛”  新华社 贺萌 图

  比起国外的空间探测设备,如美国费米卫星和丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪, “悟空”卫星的电子宇宙射线的能量测量范围有显著提高。

  其次,“悟空”测量到的万亿电子伏特级别的电子 “纯净”程度最高,也就是其中混入的质子数量最少。

  最后,“悟空”卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在约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。

  异常的尖锐能谱

  更加惊喜的是,在1.4TeV处,“悟空”的数据里呈现出一个尖锐结构,这是之前所有人都未曾预测到的。

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  在1.4TeV处呈现出一个尖锐结构

  中国科学院大学常务副校长吴岳良院士解读认为,除非有新的机制,否则天体物理将不能给尖锐能谱提供合适的选项。也就是说,尖锐能谱可能给暗物质的存在提供了新的证据。

  暗物质卫星科学应用系统副总师、紫金山天文台研究员范一中说道,“悟空”仍需要更多的时间,来排除数据波动的影响。这个异常如果最后得到确认,留给理论物理学家的选择并不多:这是一种能量非常高的粒子,速度只比光速慢十万亿分之一,且距离地球很近。

  常进说道,目前,“悟空”运行状态良好,可以打满分,正在持续收集数据。他希望,在明年年底的时候,能够对此有更明朗的判断。

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