探索宇宙之谜:暗物质粒子探测卫星“悟空”

作者: 王江山

来源: 中国科学院之声

发布日期: 2023-12-17 08:01:25

中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射成功,标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。通过精密和高效的探测能力,“悟空”号取得了多项暗物质粒子间接探测实验重要成果,为天文学、宇宙学和粒子物理学等领域提供了重要支持和参考。

8年前的今天,中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号发射成功。作为中国科学院空间科学战略性先导科技专项的首发星,“悟空”号利用其最精密和最高效的探测能力取得多项暗物质粒子间接探测实验重要成果,这标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。

除了繁星,太空中还有什么?千百年来,人类都在追问这个问题。

随着现代物理学的发展,科学家们提出了一种理论:宇宙中存在着一种无法直接观测,但能干扰星体发出光波或引力的神秘物质——暗物质。虽然无法被直接探测到,但暗物质的存在感却很强,其占据了约26.8%的宇宙总物质量,而人类可见的普通物质只约占4.9%。科学家推测,暗物质很可能与宇宙的起源、演变、结构等重大问题息息相关。因此,解开暗物质之谜也许会让人类科学实现巨大飞跃。

为了探索暗物质,人类发射了不少探测装置,其中一枚探测器格外优秀,有许多重要发现,它就是中国于2015年12月17日成功发射的暗物质粒子探测卫星——“悟空”号。它是中国科学院空间科学战略性先导科技专项所支持的空间科学卫星系列的首发星,也是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星。

“悟空”号是如何工作的?目前主流的科学理论认为,暗物质可能是一种“弱相互作用大质量粒子”(WIMP)。组成宇宙的绝大多数粒子都有反粒子,因而科学家们据此推测WIMP应该也有。当WIMP与其反粒子发生湮灭或自身发生衰变时,就会释放出伽马射线和高能电子,而只要捕捉到这些,就有可能抓住暗物质的影子!

“悟空”号共有75916路信号通道,是我国在太空飞行的电子学方面最复杂的卫星。

“悟空”号是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器,可以精确测量各种物理量,给出更有价值的关键数据。得益于这些高精尖技术,“悟空”号能够清晰地分辨出流量差异大的各种高能粒子,并准确地测出其物理参数,实现最精密和最高效的探测。截至2022年12月17日,“悟空”号已探测到130亿个高能粒子,取得了多项成果。

这些成果对天文学、宇宙学和粒子物理学等领域产生了深远影响,不仅有助于推动中国空间科学的发展和创新,更为人类认识和理解宇宙提供了重要支持和参考。

其实,早在20世纪90年代,中国就开始着手进行暗物质粒子间接探测实验,并从2000年起逐步攻克各项疑难问题。中国科学院在这一过程中发挥了举足轻重的作用。20世纪以来,重大基础前沿领域的科学发现越来越依赖于国家资助以及大型科学机构间的协同合作。

在此背景下,中国科学院启动空间科学先导专项,旨在选择“最具优势和重大科学发现潜力”的科学热点领域,通过自主和国际合作科学卫星计划,实现空间科学领域的重大创新突破。

“悟空”号原定的设计寿命为3年,但鉴于其状态稳定、表现完美,多次被“延迟退休”,不断发回更新数据。科学家们充分利用这些数据,有助于深入研究暗物质和其他宇宙现象,解决宇宙学中的重大问题。“悟空”号取得的系列成果,意味着中国科学院、中国科学家在持续深耕的基础科学前沿领域实现了重大突破,不仅彰显了中国在国际空间科学领域的影响力,更为未来空间探索提供了宝贵经验和技术储备。

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