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暗物质悟空号暗物质粒子探测卫星

日期:11-27   阅读:100   分类:棋牌礼包

结构示意图(2张)

空”是中国第1个空间高能粒子探测器,经过全球征名活动,最终命名为“悟空”,寓意用《西游记》中火眼金睛的悟空寻找难以察觉的暗物质存在的证据。“悟空”已于2019年2月17日发射升空,是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,其观测能段是国际空间站阿尔法磁谱仪的10倍,能量分辨比国际同类探测器高3倍以上。目前在轨运行状态稳定,数据源源不断地获取了大量数据。DAMPE是以中国为主,瑞士和意大利参与共同研发完成的。DAMPE主要探测电子宇宙射线、高能伽玛射线和高达Pe V的核素宇宙射线。它具有能量分辨率高,测量能量范围大和本底抑制能力强三大优点。设计指标如表1所示。DAMPE的性能优势和它的结构设计紧密相关。暗物质粒子探测卫星的探测器由4部分组成,分别是:塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器以及中子探测器。

塑闪阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线的电荷以区分不同核素,也有可区分高能电子和伽玛射线。高能带电粒子在穿过塑料闪烁体时,通过电离和发射辐射(光子)的方式损失能量。沉积的能量转化为荧光,被两端的光电倍增管转化为电信号,经打拿级放到后读出。塑闪阵列探测器主要由兰州近代物理研究所负责研制。硅阵列探测器的主要功能是测量入射宇宙线粒子的方向和电荷。硅阵列探测器由6大层硅微条探测器上下层叠排布而成。同时在第1/2、2/3和3/4层之间各有一块钨板。高能光子在穿过钨板时以较高的概率转化为正负电子对。所以光子和电子在量能器中的信号是一致的。如果在第一层没有记录到带电粒子的信号,但在下面几层记录到信号,则入射粒子为伽玛射线。硅阵列探测器是由中国科学院高能物理研究所、日内瓦大学、佩鲁贾大学等单位共同研制的。BGO量能器是探测器最核心的组成部分,其功能是测量宇宙线粒子的能量,并可区分宇宙线中电子与质子。BGO晶体是一种无色透明的没有激活剂的纯无机闪烁体,是核物理实验中常用的一种闪烁体材料。暗物质粒子探测卫星所使用的BGO晶体是由上海硅酸盐研究所专门设计开发的。BGO量能器的数据读出系统有高达8万路的电子学信号通道(也就是整个探测器有8万路电子信号输出;而且这8万条电子学信号通道要在1 m3这样小的范围内布局完成,难度很大)。[3]

中子探测器测量的是宇宙线粒子在探测器上面3层中产生的次级中子。高能电子主要是电磁簇射,产生的中子数目很少,但是质子和其他核素还会发生强子簇射,从而产生大量的高能中子。根据这种效应,可以进一步区分宇宙线的电子和质子。中子探测器主要由中国科学院紫金山天文台负责研制。[3]

与国际上其它暗物质探测卫星相比,有三个显著优势。

一是能够测量的宇宙线的能量非常高,可以测量到104个GeV;二是能量分辨率高,可以达到1%左右,测得比较准;三是测量能量的本底比较低,也就是区分电子和质子的能力非常强。[9]

天文观测表明,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。此前,他与外国同行合作发现一些不明来历的高能电子可能是暗物质粒子湮灭的证据。

为了进一步追寻暗物质的踪迹,常进的科研团队提出了研制“暗物质粒子探测卫星”计划,得到了科技部和中科院的支持。常进介绍,在茫茫宇宙中寻找暗物质并非易事,传统方法是采用大型探测器。如诺贝尔奖获得者丁肇中教授研制的阿尔法磁谱仪2号,探测器重达7吨。而我国正在研制的“暗物质粒子探测卫星”,耗资少,重量轻,希望能在暗物质探测领域取得突破。

占宇宙95%以上

占宇宙95%以上的暗物质和暗能量由万有引力定律证实存在,却从未被直接观测到。暗物质粒子的探测目前是国际科学前沿竞争最为激烈的研究领域。包括我国在内的世界各国正在筹建或实施多个暗物质探测实验项目,其研究成果可能带来基础科学领域的重大突破。

据介绍,“悟空”由四个有效载荷组成,分别是塑闪列阵探测器、硅列阵探测器、BGO能量器和中子探测器。所有探测器及电子设备安装在1个立方米的空间内,技术难度超过了我国目前所有的上天高能探测设备。

此次发射的暗物质卫星全部由中科院研制、生产。工程2019年立项,造价1亿美元,远低于国外同类探测器。卫星将在轨运行3年以上,首批科学成果有望在6个月至1年后发布。

用于发射的长征二号丁运载火箭由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院抓总研制,这是长征系列运载火箭的第221次飞行。

中科院国家空间科学中心主任吴季表示,暗物质粒子探测卫星的成功发射和在轨运行将有望推动我国科学家在暗物质探测领域取得重大突破,对促进我国空间科学领域的创新发展具有重大意义。

除暗物质卫星外,我国科学卫星系列还将陆续发射量子科学实验卫星、实践十号返回式科学试验卫星、硬X射线调制望远镜卫星。

神奇的暗物质

新闻背景:暗物质是怎样一种神奇的存在?

新华社酒泉12月17日电(记者吴晶晶、喻菲、余晓洁)暗物质有多火?就连热门美剧《生活大爆炸》里的主角“谢耳朵”都转行研究暗物质了。

暗物质是怎么被发现的?20世纪30年代初,美国加州理工学院的天体物理学家兹威基第一个发现,宇宙中可见物质远远不足以把宇宙连成一片,如果不是存在一种神秘而不可见的物质,星系早就分崩离析。

科学家把这种看不见的神秘物质称为“暗物质”。到了20世纪70年代,多种天文观测,比如盘星系的旋转曲线、星系团X射线观测、引力透镜等都显示了暗物质的存在。但直到现在还没有确定的暗物质信号被探测到。

暗物质这一概念是瑞士天文学家Fritz Zwick提出的。他在研究Coma星系团的时候发现根据维里定理计算出的星系团的总质量要远大于根据发光度计算出来的星系团质量,他推测星系团中存在着大量不发光的物质,并称之为暗物质。20世纪70年代,美国天文学家Vera Rubin等测量发现星系的旋转曲线(也就是星系中的物质绕中心旋转的速度与到中心距离的关系)发现大半径处的旋转速度远大于发光物质给出的理论预期。如果引力理论正确的话,就需要引入看不见的物质来提供更大的引力以束缚住速度如此大的物质。尽管暗物质粒子的确切物理性质仍有待进一步研究,一般认为暗物质粒子具有如下性质:电中性、大质量(比质子重许多)、长寿命(显著长于宇宙的寿命137亿年)、具有正常引力相互作用。暗物质粒子没有电磁相互作用和强相互作用,但可能具弱相互作用。已知的粒子中不存在满足这些性质的粒子,这意味着暗物质粒子的研究极可能带来物理学的革命性突破。

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