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嘿,“悟空”又去捉妖了,你知道吗?


对看着《西游记》长大的“90后”来说,“悟空”这个名号总有着神通广大、无所不能的光环。话说他翻个跟头就十万八千里,有着七十二变的本领,看破一切假象的火眼金睛,随意伸缩的金箍棒。原本以为他陪师傅取完真经,回花果山自在去了,没想到他原来被派到天上“捉妖”去了。(看来还是人间太平呀!)





撰文:孙莹

责编:寒凌旭

审校:尹倩青




2015年12月17日8时12分,酒泉卫星发射中心,暗物质粒子探测卫星“悟空”在长征二号丁运载火箭的传送下,成功抵达500公里高的太阳同步轨道,开始了为期3年的“捉妖”之旅。




听师父说,“悟空”此次捉妖之行任重而道远。他要去抓的“大妖”是只闻其名、未见其身的“暗物质”。



“暗物质”是什么?



和普通物质不同的是,暗物质并不参与电磁相互作用。这意味着它既不吸收,也不反射或发射光,所以暗物质极难被探测到。那么科学家们是如何推断出暗物质的存在的呢?幸运的是,暗物质会对可见物质施加引力作用。上世纪70年代,美国女天文学家薇拉·鲁宾观测星系旋转速度时,发现星系外侧的旋转速度较预期要快得多,仅仅依靠可见物质是无法做到这一点的,必然有大量无法观测到的物质提供额外的引力,我们称这些“看不见的物质”为“暗物质”。


现在我们知道,在整个宇宙的构成中,普通物质占4.9%,而暗物质则占26.8%,另外还有68.3%是暗能量;暗物质在宇宙演化过程中扮演了极为重要的角色。然而,尽管我们知道暗物质的存在,却没有人见过它的“真身”。它能像幽灵一样穿过障碍物,且不被我们看到或感知到。


此时,便需要“悟空”的火眼金睛让“暗物质”原形毕露。“悟空”的火眼金睛有——塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器四个子载荷,它们能探测高能粒子的能量、方向和电荷,并具备鉴别粒子种类的本领,这些都是能否顺利“捉妖”的神器。


 




“悟空”是怎么捉妖的呢?



妖怪也会互相结盟(湮灭),也有生老病死(衰变)。湮灭或衰变过程中,会发出高能的伽马射线,或者产生出高能的正反粒子对,这些都能被直接的探测到。但这些信号并不能很好的穿透地球的大气层,所以我们只好派“悟空”到天上去,通过探测太空中的高能粒子和伽马射线,以找寻“妖怪”的踪迹。


其实,暗物质这“大妖”已经困扰我们很多年了。为了看清它的真面目,除了“悟空”,还可以通过其他办法。


第一种是模拟宇宙大爆炸。利用大型强子对撞机,把粒子加速进行碰撞。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2,一定条件下,质量和能量可以相互转化。则粒子碰撞的能量就会转化成各种各样的粒子,而被仪器检测到。但暗物质粒子是隐形的,仪器根本检测不到。通过最终质量或能量的不守恒,便为暗物质粒子的存在提供了直接的证据。


第二种是通过探测暗物质粒子与普通粒子碰撞发出的信号。虽然暗物质粒子隐身能力强,但它几乎无处不在。每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛哦,只是我们感知不到罢了。不过既然是粒子,肯定会与其他物质碰撞并发出信号。虽然概率小,信号弱,但只要想得到,没有做不到。为了排除宇宙射线的干扰,科学家们便在地下挖一个大坑,把精密仪器放在坑底进行探测,同时也为了排除宇宙射线的干扰。比如美国的DUSE和加拿大的SNOLAB等地下实验室;我们国家在四川锦屏山也建设了世界最深的地下实验室。

 

尽管尚未捉到暗物质这只大妖,但功夫不负有心人。在上天将近一年的时候,“悟空”捉到了一只“小妖”——CTA 102。


这只名为CTA 102的“妖怪”早在1963年就被发现了。其黑洞质量约为太阳的8.5亿倍,与太阳系距离约为80亿光年。有趣的是,CTA 102第一次在无线电波段被发现时,人们一度认为这是外星文明发出的信号。甚至后来看到变化的无线电信号时,还有人认为是高级智慧文明在作祟。但进一步的观测发现,它其实是一个活跃的黑洞,在吸积物质的时候形成巨大的喷流,产生相对论性粒子并辐射出从无线电直至伽马射线波段的电磁波。


其实,像CTA 102这样的超大质量黑洞在宇宙中并不少见。它们的质量往往是太阳的数十万倍,甚至数百亿倍。现在一般认为,几乎所有大质量星系中心都存在至少一个超大质量黑洞,就连我们身处的银河系也有。关于它们的形成原因依然众说纷纭,可能来自宇宙大爆炸时的原初黑洞,也可能是由大质量恒星死亡后演化而来。


在这些具有超大质量黑洞的星系中,还存在大约不到10%的特殊星系——活动星系。而这些星系明亮的核心部分即活动星系核,其中的超大质量黑洞肆无忌惮地“吞噬”周围的物质,这些物质聚集形成吸积盘,同时可能产生强有力的喷流,CTA 102就是这样一只“妖怪”。


此次上天“捉妖”的“悟空”,不仅是我国第一个被派去“捉取大妖”的天文卫星,其能力也不容小觑——目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星,其观测能段是“国际空间站”上的α磁谱仪2号(AMS 02)的10倍,能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。而他的“捉妖”成果,将可能带来基础科学领域的重大突破,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。


来源:太空联盟

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