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“悟空”上天！关于暗物质你需要知道的7件小事
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导读： 今日8:12，中国空间科学卫星系列首发星、暗物质卫星成功发射升空！
新华社中国特稿社喻菲供图
不同于以往我国发射的其他卫星，这是首颗专门用于基础科学研究的探测卫星。“悟空”的探测目标也不像“嫦娥”和“玉兔”那样清晰明了，它要寻找的是一种天文学家几乎肯定它存在，却没有人确切知道它是什么的…
今日8:12，中国空间科学卫星系列首发星、暗物质卫星成功发射升空！新华社中国特稿社喻菲供图不同于以往我国发射的其他卫星，这是首颗专门用于基础科学研究的探测卫星。“悟空”的探测目标也不像“嫦娥”和“玉兔”那样清晰明了，它要寻找的是一种天文学家几乎肯定它存在，却没有人确切知道它是什么的东西——暗物质。因此，“悟空”的发射看起来也更加理想主义。关于“悟空”和暗物质，有7件小事你需要知道。1暗物质是个啥概念？从上世纪30年代起，天文学家就从观测中陆续找到了一些证据，暗示宇宙中物质的质量远远大于所有可见物质的总和。比如，他们发现银河系里千千万万颗恒星的运动速度大于预期，如果没有更多的东西施加额外的引力，银河系本身就会被甩得分崩离析，根本不能凝聚成形。再比如，星系团之类的庞大天体能够弯曲星光，扭曲并放大背后更遥远星系的影像，通过这种引力透镜效应，天文学家发现星系团的质量远远超出其中发光物质的总和。宇宙的3种主要构成成分，暗物质所占比例超过20%。图片来源：《发现》杂志于是，天文学家假设宇宙中存在一类看不见的物质，称它们为暗物质。2暗物质究竟是啥？人！类！不！知！道！真的。来吧，来寻找黑暗面吧！图片作者LordHayabusa357但是，科学家可以利用理论和现有的观察数据来分析、假设。主流理论认为，暗物质可能由一大类粒子构成，它们被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）。不同于构成我们身体及周边所有物品的基本粒子，这些暗物质粒子本身质量较大，却不参与任何电磁相互作用。不要小瞧这一“绝技”。归根到底，我们看得见、摸得着、尝得出、闻得到、听得清身边的其他东西，都是电磁相互作用在其中贡献力量的结果。所以，完全不参与电磁相互作用的WIMP粒子，就相当于是粒子世界中本领高超的隐身胖子，既看不见，也摸不着，更不要说用其他感观去感受它了。但我们应该能够肯定的是：暗物质不是原力的黑暗面。好吧，这一点我们其实也不能确定。3如何寻找暗物质？既然暗物质看不见、摸不着，还不参与任何电磁相互作用，那咋找？人类目前知道3种方法。第一种办法，是主动创造这些粒子。根据爱因斯坦的质能方程E＝mc^2，能量和质量是等价的，在一定条件下可以相互转换。如果把足够高的能量浓缩在极小的空间体积之内，这些能量就会转化为各式各样的粒子四散奔逃。如果能量足够高，运气足够好，或许能创造出暗物质粒子。如何找到暗物质？我们创造一下好了！图片来自。第二种办法，是守株待兔。暗物质粒子可以说是无处不在，每秒钟可能有上亿个暗物质粒子穿过你的眼睛。被暗物质粒子撞上的原子核会发光发热，或者被撞得偏离了原来的位置，这些光和热还有位置移动是科学家有可能探测到的。第三种办法，那就是等这些隐身的粒子自行现身。某些理论预言，当两个暗物质粒子相遇时，它们会相互湮灭，产生出高能的伽马射线，或者产生出高能的正反粒子对。这就好像两个隐身人在相遇的一瞬间，突然脱去了隐身斗篷，不只变成两个普通人，甚至还发出了耀眼的光芒。请记住这三种可能的探测暗物质的方法，一会儿我们还要频繁讲到。4悟空是咋找暗物质的？“悟空”暗物质探测卫星，采用的便是这第三种办法。不论是伽马射线，还是普通的反物质粒子，都是可以直接探测到的。如果科学家在暗物质集中的地方探测到了过量的伽马射线，或者在宇宙中探测到了来源不明的高能反物质粒子，它们就有可能来源于反物质粒子的湮灭，从而给反物质的存在提供间接的证据。不过，由于这些信号无法很好地穿透地球大气层，用这种方法来间接寻找暗物质的探测器，必须被发射到地球以外才能够发挥作用。“悟空”长这样。图片来自。这就是我们一定要送“悟空”上天的原因。5国外的科学家也发射了类似的探测器么？目前，真把空间暗物质探测付诸实施的团队并不多。国际空间站上的阿尔法磁谱仪（右下标有AMS的装置）。图片来源：大名鼎鼎的丁肇中，正在执行寻找暗物质的任务。他的团队，在国际空间站上安装了阿尔法磁谱仪（AMS），正在做和“悟空”类似的工作，所运营的探测方式也是上面说的第三种方法。日，AMS宣布探测到多余的正电子，可能源自宇宙中的暗物质。这是一个关键的进展，但证据量还不够。相对于AMS，我们的“悟空”观测的能量范围高，部分能级灵敏度更高，而且还便宜。如果运气好，我们很可能后来居上。图片来源：NASA。除了这些专门的探测器之外，科学家家还利用别的仪器在观测。天文学家曾在银河系银盘的上下两侧发现了两个巨大的γ射线泡，被一些科学家认为是暗物质粒子湮灭的证据。6除了上天，人类正在地球上探测暗物质上面说了3个寻找暗物质的可能方法，方法三需要上天，其他两个在地球上可以做。大型强子对撞机啊，你这恢弘的巨兽。承载了科学家的几多梦想。图片来自。目前，大型强子对撞机（LHC）有寻找暗物质的计划。这樽科学神兽今年已经重启。在此之前，有报道表示：如果暗物质的粒子质量不是太大， 不超过LHC 的最高设计能量，那么寻找这些粒子就是加速器重启后的主要目标之一。甚至还有可能得到更奇怪的结果，例如发现三维空间之外的更高空间维度的蛛丝马迹。LHC运用的是第一种方法。而要运用第二种方法，需要入地。地下洞穴中，一个在建的低温暗物质搜寻实验的探测室。图片来自。低温暗物质搜寻实验（CDMS）是第二种探测方法的代表。它的想法是，在银河系中穿行的数十亿个WIMP中，总该会有某一个与探测器中的某个原子核发生相互作用，非常轻微地推它一下。CDMS的夹心标靶由传感器之间的硅和锗构成，它们会记录下电子以及由这些碰撞所产生的微弱振动。为了保护这些探测器免受背景干扰辐射的影响，CDMS的团队将它安置在美国明尼苏达州一个地下700米深的矿井里。它们会被冷却到距离绝对零度仅有百分之一度，从而把热噪声降到最低。7“悟空”和寻找暗物质的意义天文学家知道宇宙中有一些不发光的物质，但它们到底是什么，有着什么样的性质，现在却并不清楚。现有的物理知识无法解释暗物质，这也正是暗物质探测如此热门的原因。一旦找到暗物质粒子，甚至只要确定它的某些性质，比如质量，就将给物理学带来革命性的突破。悟空上天，这又是我国空间探索史上的一个里程碑。图片来自《大闹天宫》。当然，指望“悟空”一下子就能准确找到暗物质，用首席科学家常进的话来说，期待太高了。“悟空”有能力去寻找某一类暗物质粒子，但它实质上是一台空间宇宙线望远镜，一旦打开这扇新的窗户，必然会看见好多新奇的现象。能不能找到暗物质，这个不好说，但“悟空”的火眼金睛必然能够给天文学家带来新的洞见。一个AI憋着笑说求天宫的心理阴影面积……科学人ID：scientific_guokr想要了解“悟空”的更多？请关注果壳科学人。发布科研最新进展，跟踪学术最新动态，分享顶级学者的思考和见解。本文来自果壳网，谢绝转载如有需要请联系“悟空”要去看的暗物质是什么
　　新华网北京12月17日电 中国17日早上把一颗名为“悟空”的暗物质粒子探测卫星送入太空。看样子，这颗卫星应该有“火眼金睛”，那它要看的暗物质是什么呢？
　　话说人类从古代就开始观察宇宙，但除了满天的星星之外，肉眼也看不见别的什么了。进入20世纪，突飞猛进的科学让天文学家有了一大批高精尖仪器，各种肉眼看不见的辐射也能被探测到了，著名的“宇宙微波背景辐射”就是这么发现的。
　　根据宇宙微波背景辐射等观测结果，科学家推断出了宇宙的年龄、能量密度和膨胀速度等特征。但算一算又发现不对了，如果宇宙中只有目前人类能观察到的所有种类物质，那宇宙的各项参数是无法变成现在这样子的。于是科学家提出一种解释，我们通常见到的普通物质在宇宙中只占5%，它们形成了太空中的各种星系，而剩下的95%由于还看不见，就先叫做暗物质和暗能量。
　　暗物质既不发光，也不参与电磁作用，人们目前只能通过引力产生的效应感受到它的存在，但一直还没有确凿的证据说“这就是暗物质”。暗物质带来的问题也因此被认为是“笼罩在当前物理学天空中的乌云”。
　　是的，你看或不看，暗物质就在那里。但好奇的科学家怎么能忍得住不看呢？为此他们想了三种办法。第一种是利用粒子对撞设备，看能否在实验中产生暗物质并对其进行观测，这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。
　　第二种是在很深的地下挖个大坑，以此屏蔽宇宙射线的影响，在坑底放上精密仪器来探测暗物质。位于中国四川南部地底深处的锦屏地下实验室就是全球最深的暗物质探测实验室，已于2010年投入使用。
　　第三种是在太空进行探测，比如多国合作的阿尔法磁谱仪项目，“阿尔法磁谱仪2”自2011年被送至国际空间站后已分析了410亿个初级宇宙射线事件，结果显示暗物质可能存在。中国此次发射的暗物质探测卫星“悟空”，也将在太空展开观测。
　　那咱们的“悟空”都有什么样的“火眼金睛”？据中科院介绍，“悟空”有四大组成部分：塑闪阵列探测器、硅径迹探测器、BGO量能器和中子探测器。其中有些技术是只有中国能做到的，比如BGO量能器中的BGO晶体，此前世界范围内最长的只有30厘米，而中科院成功将晶体做到了60厘米。
　　如果“悟空”能够成功探测到暗物质，那将是意义非常重大的成果。还记得中学物理教科书上写的“19世纪物理学天空的两朵乌云”吗？那就是“迈克尔逊-莫雷实验”和“黑体辐射实验”，当爱因斯坦等大牛干掉这两朵乌云后，人类科技在20世纪取得了巨大进步。如果暗物质这朵新的“乌云”能被驱散的话，无疑人类又将进入一个全新的领域。（记者黄堃，新华国际客户端报道）
[责任编辑:暗物质探测卫星“悟空”升空近一年 有了啥进展_网易科技
暗物质探测卫星“悟空”升空近一年 有了啥进展
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（原标题：“悟空”腾霱：打开宇宙一扇窗）
■编者按：2016年是群星闪耀的一年，也是突破深渊的一年：“悟空”、实践十号、“墨子号”成功发射，“潜龙”“海斗”潜入万米深渊。中科院人仰望星空，俯探深海，完成了一系列重大科学探索，产出了一大批重大科研成就。年终岁末，请随着我们的记录，再次重温那些令人激动的时刻。■本报记者 陆琦在太空遨游不到一年，“悟空”发回的粒子数据就够每个中国人“分配”到一个了。日，中国科学卫星系列首发星——暗物质粒子探测卫星“悟空”在酒泉卫星发射基地成功发射升空，用它的“火眼金睛”帮助科学家寻找披着“隐身衣”的神秘暗物质。正常运转353天，飞行5382轨，姿态稳定，已完成全天区覆盖，共探测宇宙射线约16亿个。这是截至记者发稿时，“悟空”交出的一份完美成绩单。看着“悟空”画的“圆弧”进入新年事实上，“悟空”的完美表现甚至出乎科学家们的预料。4个有效载荷中，塑料闪烁体、BGO量能器、中子探测器都100%正常工作，硅径迹探测器99.85%正常工作，也大幅度优于原定的97.5%的指标。尽管如此，“悟空”研究团队也不敢稍有懈怠。他们不断优化在轨标定的方案，以尽量短的时间实现对探测器各子探测器的可靠标定，并充分利用这些数据加快对物理事例重建软件的研发。对于暗物质卫星地面科学应用系统副总设计师、中科院紫金山天文台研究员范一中而言，2016年的猴年春节特别而难忘。“为了能与家人团聚，过年前那段时间整个团队爆发出了惊人的潜力。”范一中回忆说，“凌晨两点，数据处理中心各个岗位座无虚席。第二天一早到办公室，有几位同事还在工作，有的同事就缩在办公椅上休息。”凭着这股劲头，年轻科学家们终于在大年二十九如期完成了各自的软件升级任务，陆续回乡过年。人歇计算机集群不能歇。大年三十，暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进带头留守在办公室值班，接收、检查、处理数据，和同事们一起吃年夜饭。尽管少了与亲友团聚的欢乐，但在他们看来，看着“悟空”在屏幕上画着大大的圆弧进入农历猴年，另有一份浓浓的情意。随着时间推移，“悟空”的表现也越来越好。等到3个月的在轨测试结束后，对于它的表现，所有参与评审的专家都打了100分。“这在卫星测试中是非常少见的。我们准备的几百种‘应急方案’都没用得上。”暗物质卫星地面科学应用系统总设计师、紫金山天文台研究员伍健说。朝五晚十的“中央厨房”如今，地面数据接收、物理事例重建、处理分析等各项工作已经进入常态。“悟空”每天绕着地球转15圈，每圈4万多公里，一天下来跑60多万公里。当它路过三亚、喀什、密云等地面数据接收站时，还要汇报工作，将观测数据传回。这些数据先是汇总到北京怀柔的地面支撑系统，经过简单处理后，再传到紫金山天文台的科学应用系统。对于科研人员来说，这些被称为1B的数据是最好的“食材”。而紫金山天文台的科学应用系统好比是中央厨房，“悟空”不断输送过来的数据“食材”，将在这里被加工成可供研究人员应用的高级物理信息。早上五六点钟开始看遥测参数是否正常，8点看前一天的卫星观测科学数据是否正常，接下来开始标定和重建数据，直至晚上10点半结束一天的工作。这就是“中央厨房”每天的工作时间表。李翔博士是“中央厨房”里22个监控人员之一。“我们每天一个人轮班，通常处理完前一天的数据需要10多个小时，工作到晚上10点多是非常正常的。”李翔告诉《中国科学报》记者，数据的标定和重建实际上是相当复杂的过程。“悟空”每天传送回来500万个粒子信息，其中只有0.1%是有用的电子，光子的数量还要少很多。因此，要想研究电子和光子的分布，必须剔除其中99%以上的质子等宇宙线核素的信息。自从“悟空”上天之后，常进就养成了一个习惯：早上醒来必须查看值班人员发来的对前一天卫星数据的总结报告，每晚只有查看完当天已下载数据的完整情况以及实时处理情况后才能入眠。打开新窗口的“中国力量”由于暗物质可能存在于任何区域，“悟空”头两年将对全天扫描，探测暗物质存在的方位。两年后，根据全天区探测的分析结果，它将对暗物质最可能出现的区域开展定向观测。常进一再告诉研究团队：“空间项目有太多的不确定因素，而且卫星运行一天的费用高昂，一定要珍惜所有的观测数据，最大可能地发掘其潜能。”完成标定和重建的1B数据成了被称为“2A”的高级数据。这些数据会分发到由上百个科学家组成的“DAMPE合作组”进行数据分析。其中，既有来自中科院紫金山天文台、中国科学技术大学、中科院兰州近物所、中科院高能物理所的中国科学家，还有来自瑞士日内瓦大学、意大利佩鲁贾大学和巴里大学等的国外合作者。经初步分析，“悟空”在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面都取得了重要进展，全面实现或超过了设计指标。“目前看来卫星所获得的数据都是非常扎实的，未来对于暗物质存在的确认或否认都非常有意义。”中科院院士景益鹏表示，随着数据的不断累积，希望在不久的将来能够获得突破性成果。为了能够早日发表来自“悟空”的首批科学成果，整个研究团队正在紧张地工作。“暗物质探测是我们的主要科学目标，但我们的主要工作目标是卫星正常工作、探测器标定正确，这样就能保证我们打开一扇观测宇宙的新窗口，必然会有新发现。”常进说。资料图片暗物质卫星首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进：揭开暗物质的神秘面纱大量的天文学观测表明，我们所生存的宇宙中由质子、中子等构成的所谓普通物质，例如恒星、行星、星际气体和尘埃，占宇宙总能量的份额仅约5%；约占27%的暗物质和约占68%的暗能量，占了宇宙组分的绝大部分。因此，理解暗物质和暗能量问题，是我们认识宇宙的迫切而不可跨越的任务。暗物质和暗能量的问题是当代物理学面临的重大问题，在这两个问题上的突破将可能引领21世纪的物理学发展。现有研究表明，暗物质很可能是一种超出标准模型、参与弱相互作用的重粒子。它们自身以及和普通物质的相互作用很弱，因此往往表现得很“暗”。然而，正是这种弱相互作用带给了我们探测到暗物质粒子的希望。如果我们制造出足够精密的仪器，便有可能抓住非常稀有的暗物质相互作用事件。随着探测器技术的发展，今天我们已经可以在地下实验室实现非常低本底的直接探测——测量暗物质粒子和探测器的碰撞作用，在空间进行大接受度高分辨率的间接探测——测量暗物质粒子自湮灭或衰变的遗迹。目前，世界上有数十项实验通过直接或间接的方法探测暗物质粒子。随着灵敏度逐渐提升，暗物质粒子的剩余参数空间越来越小，人类或许很快就将揭开暗物质的神秘面纱。
日，中国发射了第一颗空间天文卫星——“悟空”号暗物质粒子探测卫星。“悟空”的首要科学目标就是，通过高精度测量宇宙射线电子和伽马射线的能谱及空间分布探测暗物质湮灭或衰变的遗迹。“悟空”卫星搭载的科学仪器具有3个世界之最：最高的能量分辨本领、最宽的观测能段、最强的高能粒子鉴别本领，因此有望在暗物质间接探测中取得重要成果。“悟空”卫星各探测器工作状态良好，每天平均观测约500万个高能粒子。截至目前，仪器已正常运转3百多天，共探测到宇宙射线事件约16亿个。现在我们在粒子的电荷测量、能量测量、方向测量、粒子鉴别等方面的研究进展良好，全面达到或超过了设计指标。2017年初，我们将正式发布“悟空”的首批科学成果。（本报记者陆琦采访整理）
本文来源：科学网
责任编辑：李德雄_NT2021
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