重大成果,中国卫星「悟空」或许将让你见证全世界物理课本的改写!


题图:视觉中国


如何解读 11 月 30 日紫金山天文台公布的暗物质粒子探测卫星「悟空」重大成果?


知友:中国科普博览(科普话题优秀回答者)


作者:袁强(中国科学院紫金山天文台)


是呀是呀,刚刚发的文,宣布「悟空」获得了世界上最精确的高能电子宇宙线能谱。


「悟空」至今已稳定在轨运行接近 2 年,全天扫描了 4 次,获取了 35 亿高能宇宙射线事例。


由于其独创性的设计,「悟空」号卫星的花费比国际同类仪器少数倍到数十倍,但是却在电子 / 伽马的能量测量精度和质子 - 电子鉴别能力等指标上达到了国际最高水平,从而也成为国际上探测暗物质的利器。


「悟空」号卫星今日发布的第一个重大科学成果,就是给出了高能宇宙射线电子能谱最为精确的测量结果。



等等,似乎有哪儿不太对。


说好的暗物质粒子探测卫星呢?第一次发布的重大成果怎么是「获得了高能电子宇宙线能谱」?



我们都知道,暗物质的探测有三种方法,「上天入地对撞」。


悟空」采用的就是「上天」的方法,这种方法指的是发射空间高能粒子探测器,探测暗物质湮灭或衰变的产物粒子,例如正负电子、正反质子、伽马光子等。因为这些粒子无法穿过地球大气层,所以需要「上天」。


这种方法的基本思路很简单,虽然我们「看不到」暗物质粒子,但暗物质粒子在与暗物质粒子碰撞后,会产生我们能够「看到」的粒子,例如伽马射线、电子和正电子、质子和反质子、中微子等。通过探测「看的到」的,来探测「看不到」的。


而且,暗物质粒子湮灭过程中产生的高能电子,反映在能谱上,会是一些奇特的特征信号。根据常规的天体物理过程,电子能谱是平滑变化的,而暗物质湮灭产生的电子谱则会在其对应的质量处呈现出一个截断,或者甚至有可能产生单一能量的电子,这样在电子能谱上可能会看到快速截断或者单能线谱一类的特征。


如果我们的卫星探测精度足够高,是有可能揭示这些特殊结构的。这也是暗物质粒子探测卫星发布的第一个成果是获得高能电子宇宙线能谱的原因。


没毛病!


说回这次的结果。这一结果反映出了电子宇宙射线能谱的两个有趣特征:


1)电子能谱在大约 1 TeV(万亿电子伏特,相当于可见光能量的一万亿倍)能量处呈现出一个拐折;


2)在能量约 1.4 TeV 处发现一个尖峰状结构。


得益于「悟空」号的高能量分辨率和低本底混入率,它的精确测量结果可以显著地改善我们对电子宇宙射线模型的认识。


1)第一个能谱拐折,在之前的实验 HESS 中,曾观测到类似迹象,但由于误差很大,不能明确下结论。而空间实验 Fermi-LAT 的结果却表面没有拐折。「悟空」号的结果清晰无误地测量出了这个拐折。


这个拐折说明银河系中电子宇宙射线源的分布特征出现了明显变化。


因为电子在宇宙空间中传播的时候会通过同步辐射等过程损失能量,越是高能量的电子损失能量的速率越快。这意味着越是高能的电子,传播的范围越小。


例如,对于 1 TeV 能量的电子,基本上只能传播 3000 光年的距离,而 10 GeV 的电子则可以传遍整个银河系。由于高能电子的传播范围小,在这个范围内,源的数目也很稀少,因此我们在地球附近观测到的高能电子很可能只是来自于个别源。而低能电子情况有所不同,那是大量源的平均效应。


打个比方,就好像我们炖了一锅骨头豆子汤,如果把骨头切成和豆子一般大小,那我们随便盛一勺汤里面总会是豆子骨头都有。但往往骨头要大块很多,数量也不可能像豆子那么多,这个时候盛一勺可能有骨头也可能就没有骨头。


2)第二个特征则是「悟空」号率先观测到的,之前的所有实验中都没有看到类似现象。可以说,1.4 TeV 处的结构则是所有人都没有预期到的新现象!


这意味着可能在宇宙空间中存在质量约 1.4 TeV 的新粒子,或许就是人们长期以来苦苦搜寻的暗物质粒子。



另一种可能性是宇宙中存在某类独特的粒子加速器可以将电子加速到单一能量。要知道,此前只有在实验室中通过精细调节实验装置,我们才能够获得单能粒子束。我们猜测,脉冲星可能可以扮演这个角色。



脉冲星是恒星死亡后留下的一种遗迹,是一种极端致密、强磁场、快速转动的天体。脉冲星非常稳定的转动形成的感应电场或许可以加速出单一能量的高能电子。


无论是哪种情况,这都将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现!


虽然「悟空」号的首秀就发现了超出人们预期的新现象。不过,由于高能量粒子数量稀少,现在还不能完全排除是统计波动的影响。「悟空」号的当务之急是继续收集数据,提高统计量,以确切地验证该新结构的真实性。


可以预计,再经过一到两年的时间,「悟空」号的数据将对 1.4 TeV 这个结构的真实性给出明确的结论。


这里需要补充一点,很多人关心「悟空」号未来还要在轨运行多久、能收集到多少粒子。目前,「悟空」的工作状态十分稳定,每天平均收集 500 万个粒子,预计还将服役 3 年,理想状况下,我们将还能收集到 50 亿个粒子,届时我们将对许多问题给出清晰的说明。


另一方面,「悟空」号的结果也给别的实验提供了一个潜在的目标,给出了参考指标。


例如,未来的对撞机实验可以有针对性地对这个能量段进行设计;地下实验也可以试图提高对更重的暗物质粒子探测的灵敏度;别的空间实验可以验证「悟空」号的结果或者进行伽马射线等观测辅助检验该结果的物理起源(暗物质模型和天体物理模型会预期不同的伽马射线信号)。


说完这些以后,隔壁班的小花同学依然特别任性得问,「开创性什么的我不管我不管!所以暗物质被发现了吗?」


很遗憾,目前还不能说暗物质被发现了。但「悟空」正在用它的火眼金睛,洞察宇宙的奥秘。


在 11 月 30 日公布的发现之后,「悟空」卫星还会在轨多久?后续还会有哪些发现值得期待?




太空精酿(航天话题优秀回答者)


悟空是我国的第一个空间望远镜,用于探测暗物质。


暗物质是宇宙中最神秘的存在,因为从宇宙理论模型上讲,人类可见的物质仅占宇宙的 4.9%,余下的都是暗物质和暗能量


但单单这 4.9% 就告诉我们宇宙中大概有 1000 亿乃至数万亿个银河系,一个银河系中有大概 1000 亿 -4000 亿个太阳系,太阳系中 0.0003%的质量孕育了我们 75 亿人类和数不尽的其他生物。


暗物质和暗能量因此被科学家们称为「笼罩在 21 世纪物理学上的两朵乌云」。所以悟空暗物质探测望远镜的意义就不用过多补充了。


我国这个卫星做的水平也很高,是现今观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子空间探测器,它的观测能段是安置于国际空间站的阿尔法磁谱仪的 10 倍(5Gev-10Gev),能量分辨率比其它同类探测器还要高出 3 倍以上(优于 1.5%)


就这么说吧,阿尔法磁谱仪重 15 吨,是国际空间站上的第一大科研仪器。


所以用悟空来命名咱们自己家的这个空间望远镜,它的火眼金睛是妥妥的!


自 2015 年 12 月 17 日悟空入轨,两年来一直在做各种调试和初步科研、蓄势待发,而本次 11 月 30 日公布的重大发现意义之大,可以参考 @中国科普博览 的更多科学解读。


而针对本题,我从自己专业的角度解读下这个空间望远镜还能在轨工作多久。


1。轨道特点



北京时间 2017 年 11 月 30 日 03:29:25,悟空刚刚飞过南极大陆的冰盖,飞行速度是每秒 7610 米 / 秒,大概 94 分 30 秒就能飞地球一圈!


它采用的是一条 500 千米高、轨道倾角 97.3 度的太阳同步轨道,这种轨道的特点是它经过同一纬度的当地时间是相同的,比如每次经过北京时间都是上午十点(假设)。


而且可以看出悟空轨道的特点是沿着晨昏线飞行的,这样能保证它的太阳能电池板一直接收到充足的阳光以支持星上的仪器 24 小时不间断工作,这也是这种科学、资源、光学成像卫星的普遍特点。


所以,从能量来源上讲,悟空轨道的设计是足够的。


2。轨道寿命


轨道高度 500 千米是个什么概念呢?我前两天刚回答了一个热帖,东方红一号的近地点目前在 435 千米,但由于轨道特点它可能在人类灭亡前都不会掉回地球。


虽然悟空不是个类似的大椭圆轨道,但它更高,这基本意味着悟空的轨道在 10-20 年内都不会明显下降,或者随便烧一点自带燃料就可以往上推了,飞个 30 年到 50 年乃至更长都极有可能,这已经远远超过它预计 3 年的寿命了。


当然,对于太阳同步轨道需要稍多一些燃料去维持,但这对于一个超过 1.4 吨重、可能携带有 100+ 千克燃料的卫星而言是毫无压力的,一年也许仅需 5-10 千克便足以维持。


3。电离层情况


悟空的 500 千米轨道高度依然处在电离层中上部,这里的电离层影响远低于更低轨道和地表,这也是建立空间望远镜的重要原因:有极少的大气影响,可以提供相对纯粹的环境让空间望远镜做发现,这是地面设备所无法相比的


甚至它比处在 400 千米高的阿尔法磁谱仪观测环境更好。


但在太空中干扰望远镜的最大因素也是电离层,它的范围实在太大了,距离地球上千千米、难以逃避。电离层的大规模扰动将会影响卫星所有相关电子仪器和设备的寿命。


可以说是第一卫星杀手。


电离层深受太阳影响,有一个 11 年的变化周期,期间出现波峰波谷。



这是我最近发的一篇论文中用 GPS 数据推出来的 2014-2016 年电离层变化情况,可以看到 2014 年年底到 2015 年年初电离层处于 11 年来的峰值,但自从悟空发射后就进入了下降周期,最低谷将会出现在 2019 年左右,随后也能保持 4-5 年的较低水平


这意味着悟空的任务周期即便从 3 年延长到 10 年,依然处在一个太阳和电离层活动周期的底部,这有两个重大利好


  • 星上器件所受电离层影响很少,寿命将会大大延长,悟空很容易超期服役

  • 电离层干扰很低,意味着悟空有着非常干净的太空环境来研究暗物质带来的能量和信号,做出来的科研成果极有可能比想象中的好


综上,悟空能够腾云驾雾、有个能 72 变的身子骨、又拥有火眼金睛,一定能给我们带来更多科研上的惊喜。



中国制造,我看行!



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