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看到引力波、探测暗物质,2017这些你看不懂却应该知道的科学突破

2017-12-29

日前,美国《科学》杂志评选出2017年十大科学突破,其中科学家们观测到双中子星并合引力波事件被评为“年度科学突破“。

实际上,今年可以说是物理学领域大丰收的一年。除了引力波,科学家们在中微子探测、暗物质探测等领域也分别取得了重大突破。

这些高深的科学突破看似和我们的生活很遥远,但实际上,过去几十年,人类所有的智能进化都离不开基础物理的发现,所以,无论是引力波还是暗物质,或都将改变人类未来的生活。

但中科院的一位研究人员表示,现在基础物理学处于理论超前于实验的阶段,即目前阶段实验的困难性太大,理论没有足够的实证支持,所以在实验方面有新发现新进展非常有利于物理研究的发展,甚至可以催生很多新理论新思路。

首次“看到“引力波

2017年,人类共观测到三例引力波事件。最近的一次是在2017年8月17日,激光干涉引力波天文台(LIGO)和处女座引力波天文台(Virgo)共同发现了双中子星并合引力波。

在此之前,2015年9月、2015年12月、2017年1月以及2017年8月14日,科学家们曾先后四次探测到引力波。其中前三次都是由LIGO单独完成,第四次则是由LIGO的两台干涉仪和Virgo的一台干涉仪从三个地点几乎同时探测到。

而最新的一次发现,是由全世界多个机构的天文学家联合宣布,并且是科学家们第一次发现非双黑洞并合所产生的引力波。又因双中子星并合会产生电磁波,因此,在这次探测过程中,科学家还首次找到了产生引力波信号的源头。

对于同时观测到引力波和电磁信号,业界有个很形象的比喻,即人类终于“耳聪目明”了。之前的引力波信号带动引力场波动,就如同声波带动空气振动传播;而电磁信号能够将可见光信号传播到人眼。

8月17日,与第四例引力波事件仅仅相隔3天,LIGO和Virgo先后检测到一个新的引力波信号GW170817。与此同时,正在地球轨道上运行的美国宇航局“费米”伽马射线望远镜也监测到一个剧烈的伽马射线爆发事件,这也使得科学家们将此次引力波出现的区域框定在一个较小的范围内。

随后,全球约70个地面及空间望远镜从伽马射线、X光、紫外、光学、红外和射电等波段开展后续观测,并确认引力波信号来自地球约1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系。

不仅如此,科学家们通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定,双中子星合并的过程还是宇宙中金,铂、铀等重元素的主要来源。

这次的探测的电磁信号,极有可能是近些年天体核物理学家关注的“千新星”(kilonova),这种星体形成于双中子星合并的过程。而这样的电磁信号(特定波长的电磁信号),只有某些重金属元素的衰变才能发出。这也意味着双中子星合并的过程中有这些重金属元素的产生。

今年10月,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予三位来自LIGO/VIRGO合作组的科学家,以奖励他们在引力波探测方面取得的成绩。1916年,爱因斯坦在建立广义相对论后预言了引力波的存在,时隔一百年之后,人类才真正的探测到引力波,这将开启天体物理的新时代。

随着LIGO探测精度的不断提高,引力波探测将成为“常规”的观测事件。人类对于宇宙中的其他天体,尤其是比较远或者难以用电磁信号观测的天体的认识将会被更新,很多物理理论可能需要修正。

而升级后的LIGO将在明年第三次运行,相信到时候会有更多的引力波事件被观测到,配合以电磁波、宇宙线、中微子等多种观测手段协同观测,多信使天文学时代即将到来。

获得今年诺贝尔物理学奖的基普·索恩(Kip S. Thorne)也表示,明年LIGO可能会发现黑洞-中子星并和。同时,未来15-20年过程中,会有4种不同引力波波段的观测窗口被打开。包括观测宇宙最初产生的,被暴涨放大的引力波。但将来还需要5-10年时间剥离噪音,才能看到更清晰的引力波。

悟空“号与暗物质

11月30日,《自然》杂志公布了中国暗物质探测卫星“悟空“号的首批探测成果。中国科学家利用“悟空“号卫星获得了目前世界上最精确的高能电子宇宙射线能谱(能谱是指电子数目随能量的变化情况),同时,“悟空”号首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV(1TeV=1万亿电子伏特)处的拐折。

与国际上比,“悟空”号在1TeV处的观测分辨率更高,所以测量结果也更精确。尤其是其精确的下降行为对于判定部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。

暗物质是科学家们对未知物质的一种统称,同时也是物理学界的一大未解之谜,人类目前只能通过引力产生的效应感受它的存在。

2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空“号在酒泉卫星发射中心成功发射升空,这也是中国的首颗天文卫星。“悟空”号的任务就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

作为一颗暗物质探测卫星,“悟空”号其实是一个高能粒子和伽马射线望远镜,它从顶部到底部一共有四种探测器,顶部是塑料闪烁体探测器,往下依次是硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器。

常进是中科院紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家,“悟空”号是其在2005年最先提出后开始研制。他评价“悟空”号卫星时说道,这是世界上第一次到天上去观察TeV以上的波段,相当于打开了宇宙新的观察窗口。

“悟空”号卫星在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV(1 GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。

根据人们已知的物理规律,来自宇宙空间的粒子能谱是有其特定分布的。而在以往的暗物质探测中,国际上有空间探测器发现在特定能量段电子会增多,在能谱曲线上不再单调下降而是叠加了一个“拐折”。

但他们通常只测量到“拐折”的上升部分,没有测量到“拐折”的下降。而“悟空”号此次不仅探测到能谱的上升过程,还清楚地看到电子宇宙射线能谱在1TeV处开始下降。这对于研究这些增多的电子非常重要。

此外,“悟空”号还观测到电子宇宙射线能谱在1.4TeV处存在一个“尖锐结构”。中科院紫金山天文台研究员范一中当时分析说,电子能谱在高能区突然出现拐折,一定是有什么“源”影响了它。

这处发现是之前没有预料到的,但目前统计量还不够。等过几年,统计量高了以后这个现象还在那里,就可以根据实验去寻找原因,看究竟是暗物质还是其他天体物理。但即便不是暗物质,也是一些特殊的天体。

微型中微子探测器

今年8月,《科学》杂志公布了一项与中微子有关的研究成果。美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的科学团队利用便携式中微子探测器首次探测到中微子—原子核相干性散射,从实验上验证了40多年前提出的一项物理学理论。

中微子是核物理标准模型中的重要粒子,也是天文学中重要的观测对象,此前业界已投入大量人力物力对其展开研究,2015年诺贝尔物理学奖就授予了对中微子振荡的研究。

根据物理学定律,粒子间存在4种基本力:引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。中微子是一种特殊类型的粒子,只通过引力和弱相互作用力与其他粒子相互影响,在目前条件下,这两种作用力的探测相当困难。

1974年,麻省理工学院理论物理学家丹尼尔·弗雷德曼(Daniel Freedman)提出了中微子—原子核相干性弹性散射理论,认为中微子波长会随着粒子能量而变化,当其处于高能状态时,只与某个质子或中子发生相互作用;而当其处于低能状态时,就会与原子核发生相干性作用,从而发出可以检测到的信号。

以往,为了观测到足够多的中微子,中微子探测器必须够大。为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰,中微子的探测仪器时常设立在地底下。

在弗雷德曼的理论下,中微子除与质子相互作用外,还能与整个原子核相互作用。而原子核的尺寸要远大于质子,这也使得利用尺寸较小的探测器探测中微子成为可能。

此次取得探测成果的探测器,就只有奶壶大小,高度仅为24英寸。该团队利用掺杂钠的碘化铯晶体制成的探测器,对橡树岭国家实验室散裂中子源(Spallation Neutron Source)装置产生的中微子进行了检测。当中微子通过时,碘化铯晶体内的原子核会发生反弹,哪怕信号只有一点点,碘化铯晶体也能产生可以检测到的闪光。

在461天的实验数据中,他们总共观测到了134次中微子散射事件。该团队证实了40多年前弗雷德曼提出的理论,他们在中微子与原子核的碰撞过程中观测到了短暂的闪光,这些光产生自原子核被中微子轻轻推动的过程。

这次实验的重要性主要在理论预言的证实上,但实验使用的轻便式探测器为观测中微子提供了一种全新的途径。如果此后在理论与实验上有进一步的发展,也许中微子的这一性质可以启发其它能量条件下中微子探测器的设计。

卡弗里理论物理研究所物理学家胡安·科勒(Juan Collar)则提出,这次研究为未来更小的中微子实验奠定了基础,也许未来50年后,中微子技术会像曾经被认为属于绝对高科技的激光一样普及。

写在最后

宇宙之深邃,远远超乎人类目前的认知范围。上述三个物理领域的研究也只能说是刚刚开始。

但可喜的是,在这些重大突破中,我们看到了越来越多中国科学家的身影。比如在《自然》杂志评选的2017十大科学人物中,中国科学家潘建伟因在量子通信领域取得的成绩名列其中。中国经过多年的积累,在暗物质、中微子探索方面已经有所突破,在基础科学方面也可以与国际上进行竞争了。

未来,科学研究将朝着多学科、多领域和全球性的方向发展,以往那些散落的、零星的理论预言以及实验观测将会逐渐被验证。

但随着实验观测技术的迭代不断增速,科学家将会面临巨量实验数据处理的问题。人工智能的发展将会在未来的科研领域起到重要的辅助作用,科学家在科研中所扮演的角色很可能因此而转变。

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