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【瞭望】“悟空”的重大发现
2017-12-04|文章来源:扈永顺 |【
 

 “ 悟空” 卫星工作530 天得到的高精度宇宙射线电子能谱(红色数据点),以及和美国费米卫星测量结果(蓝点)、丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪的测量结果( 绿点)的比较

  北京时间11月30日,Nature杂志在线发表了中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)取得的最新成果。

  “悟空”在轨运行的前530天,共采集了约28亿个高能宇宙射线,其中包含约150万个25GeV(1GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上最精确的高能电子宇宙线能谱,并暗示了暗物质粒子存在可能的新证据。

  中科院院长白春礼认为,如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项划时代意义的科学成果,即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。

  “悟空”发现疑似暗物质踪迹

  中科院院士吴岳良告诉记者,暗物质和暗能量占当今宇宙总能量密度的95%,暗物质粒子具有不发光、相互作用弱、长寿命、质量大等特点,天文观测表明,宇宙中的暗物质是人类目前熟悉的普通物质的5倍。

  理解暗物质属性,是国际上粒子物理和天体物理领域最重大问题之一。

  因为不发光,所以暗物质难以探测。根据目前理论物理学家的解释,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,产生高能电子,那么到空间去精确地探测高能电子能谱,就可以发现暗物质存在的蛛丝马迹。

  “通过探测暗物质粒子湮灭后产生的看得见的普通粒子,可以探测看不见的暗物质粒子,但由于暗物质粒子产生的信号很微弱,所以需要高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低成本的高能粒子望远镜。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进说。

  “悟空”正是瞄准这个方向,基于前期获得的数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果,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,为判定能量低于1TeV的电子宇宙射线是否来自于暗物质湮灭起着关键性作用。

  “暗物质湮灭时,两个粒子碰到一起会产生电子、伽马射线的异常能谱段,这一能谱段(指电子数目随能量的变化情况)会出现拐折,现在这一拐折能够百分之百确认存在。”暗物质卫星工程科学应用系统副总师范一中解释说。

  此外,“悟空”还探寻到了一些非常尖锐的能谱信号。初步数据显示,宇宙线高能电子约在1.4TeV附近呈现出尖锐的能谱,暗示了暗物质粒子存在可能的新证据。

  常进认为,正常的能谱变化应该是一条平滑的曲线,但根据观测数据,这里突然出现了一处剧烈波动,划出一个“尖峰”,意味着此处有“古怪”。

  因为置信度不够,目前这个“尖锐结构”的电子能谱没有被确认,现在回答这是否是暗物质为时尚早。

  “现在我们更关心1.4TeV的这个数据点。天上会不会有类似加速器一样的天体现象把电子加速到这么高的能量?或许是脉冲星造成的,这也将是很重要的发现。”范一中说。

  “我们现在还不知道这些结果代表什么,但是这些结果出乎我们意料,它们有潜力改变我们看待宇宙的方式。”自然科研中国区科学总监印格致博士评价说。

  目前,“悟空”运行状态良好,已将全天区扫描了4次,共获得35亿个高能粒子,现在正持续收集数据中,一旦该尖锐能谱结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

  “悟空”的独特设计

  “悟空”武艺十分高强,它在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面世界领先。

  中科院国家空间科学中心主任吴季介绍说,“美国费米卫星、阿尔法磁谱仪设计的观测能段只有几百个GeV,再高能段置信度就不高了,‘悟空’正好弥补这一不足,在TeV以上开辟了一个新的窗口。”

  利用“火眼金睛”,“悟空”可观测GeV~10TeV范围内的高能电子和伽马射线,这就要求单个探测器的动态探测范围达到100万倍。“换句话说,‘悟空’如果相当于人的眼睛,就要看到一个两米高的篮球运动员,同时还要看到运动员身上的血小板。”常进说。

  而且,“悟空”测量到的TeV电子的“纯净”程度最高(混入的质子数量最少),能谱的准确性更高。

  “悟空”的十八般武艺,来自中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术。暗物质卫星工程总设计师艾长春告诉《瞭望》新闻周刊记者,当初设计暗物质卫星曾经有两个方案,一个方案是将1415公斤的载荷(探测器)放在一个现成的卫星平台之上,卫星的总重将超过3吨,换用更大型号火箭的费用就要增加五六千万元;另一个是围绕载荷布置服务系统的全新设计方案,仅增加了400多公斤就实现了完整的卫星功能,使得载荷与整星的质量比达到了73%。

  “以载荷作为主体,热控件、电源、结构件等服务系统围绕载荷进行设计,这是我国卫星第一次采用此种设计,这种设计在世界上也是少有的。”艾长春坦言,这样设计有两个问题——可靠性和热平衡。探测器在火箭发射噪声、震动非常大的情况下需要结构可靠,而在载荷内部,需要将探测器散热控制在平衡、合理的状态。

  “我们把这个方案带来的风险提前识别解决,在方案阶段设计了5项研究。其他卫星在方案阶段很少去做一个大型模型,但我们提前做了结构模型星放到振动台上试验,结果发现了局部的裂纹,将这个薄弱环节进行加强后,降低了卫星设计时存在的结构力学性能风险。初样的研制生产过程中,也进行了一系列的实验,包括力学实验、热真空实验等。”艾长春说,暗物质卫星在方案阶段做了一年多,在卫星研制的四年时间中,做方案时间看似长了点,但是非常值得。

  硅阵列探测器的诞生

  “悟空”由四个探测器组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO能量器和中子探测器。硅阵列探测器主任设计师彭文溪在得知“悟空”的发现后非常高兴,“新发布的成果是对我们多年来攻坚克难、夜以继日工作的最好回报。”

  然而喜悦背后,彭文溪和他的导师王焕玉研究员承担了常人难以想象的压力。

  “当时我们两个人顶着来自各方面的压力,说实话,那时候我们几乎都快崩溃了,每次开卫星工程调度会都等着‘挨骂’。”年过花甲的王焕玉直言,暗物质卫星是他在参与航天工程的二三十年中,碰到的最棘手的项目。

  “一般卫星进入初样阶段很少修改设计方案,但为了更好地实现科学目标,2013年初团队决定修改硅阵列探测器方案,并引入国际合作团队。”彭文溪告诉记者,从2013年重新设计方案到2015年底发射只有三年时间,重新设计方案并研制出上天的产品,很多专家认为这是不可想象的事情。

  据介绍,硅阵列探测器包含了73728路精密的硅微条探测单元,每路微条只有一根头发丝粗细,要紧密拼接成12块、每块约0.6平方米的探测器阵列。

  同时,它还配备了一套“超强大脑”——读出电子学系统,要同时收集、处理7万多路信号,还具备供电、状态监控、通讯等功能。而且硅阵列探测器整体功耗不能超过85瓦,平均一个通道才1.1毫瓦,作为一个新的航天产品来说,其设计和研制难度可想而知。

  “我们的研制计划是按照整个卫星工程的时间来定的,立下了军令状,就必须按时完成产品的交付,不然就会拖整个工程的后腿。我们的副主任设计师张飞在设计阶段,曾因为压力太大,在办公室待了好几天都没回家。”彭文溪感慨道。

  人造卫星的研制一般分为方案阶段、初样阶段、正样阶段、发射应用四大阶段。在正样飞行件交付前,彭文溪团队一直处于四个探测器工程进度中垫底的位置。有人开玩笑说,“暗物质卫星能不能按时发射,就看硅阵列探测器啥时候交付了。”

  2013年春天,其他探测器分系统都开始进入初样研制生产阶段,而硅阵列探测器刚完成初步设计;2014年秋天,其他分系统都由初样转入正样研制阶段,而彭文溪团队一边要继续完成初样试验,一边还要组织开展正样研制工作。

  压力并不止这些。在国际合作研制过程中,也出现了各种意想不到的困难。如初样阶段,原计划在意大利开展热真空试验,结果花了20天时间,不仅真空度达不到、试验温度也一直降不下去。当时时间非常紧张,彭文溪赶紧联系了北京的航天试验设备,回国才把试验顺利完成了。

  在正样研制阶段,国外的探测器组件制造遭遇了“质量门”。按照技术要求,硅阵列探测器的坏通道数最多不能超过2%。结果探测器组件刚开始组装,就出现了1%的通道损坏。国外专家初步找到了原因,制定了修复方案,但质量上可能有风险,而且进度也没有保障。王焕玉和同事不得不抽身前往欧洲,在国外待了3个月监督、协助完成测试工作。

  2015年12月17日,王焕玉、彭文溪在酒泉卫星发射中心见证了“悟空”的发射,像很多参研人员一样,他们头天晚上也激动得难以入眠。

  彭文溪告诉记者,未来“悟空”将要继续运行至少1年,之后还会根据卫星状态开展延寿工作。作为载荷研制单位,他们将继续为“悟空”未来在轨的正常运行提供技术支持。□

来源:《瞭望》新闻周刊 2017-12-02 


 
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