國(guó)慶期間，中科院紫金山天文臺(tái)內(nèi)暗物質(zhì)衛(wèi)星監(jiān)控大廳內(nèi)，仍有科研人員在加班。當(dāng)全國(guó)上下都沉浸在國(guó)慶的氛圍中，作為我國(guó)第一顆天文衛(wèi)星——“悟空”依舊奔跑在500公里高的太陽同步軌道上，忙忙碌碌。
“快四年了，那只‘猴子’沒有讓我們失望過。”暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)說，近日，它又給大家?guī)砹诵碌捏@喜。基于前兩年半的數(shù)據(jù)，“悟空”在國(guó)際上首次利用空間實(shí)驗(yàn)精確繪出高能質(zhì)子宇宙射線能譜，并觀察到能譜新結(jié)構(gòu)。這一成果的科學(xué)意義和極限的想象空間在哪里?記者專訪了科研團(tuán)隊(duì)為公眾揭秘。
指引人類找到一處宇宙線源
宇宙線是什么?自1912年發(fā)現(xiàn)宇宙線以來，其起源與加速機(jī)制之謎至今未能解開。
現(xiàn)實(shí)中，大氣層保護(hù)之下的人類，只能從絢爛的極光里感受到它存在。事實(shí)上，地球每時(shí)每刻都與它“親密接觸”，在海平面處，每個(gè)硬幣大小的面積上平均每分鐘就有一個(gè)宇宙線粒子穿過，對(duì)比地面能量最高的粒子加速器，宇宙線的威力是前者的1000萬倍……
經(jīng)受了兩年半時(shí)間、上億次的轟擊之后，悟空“攔截”下了2000萬顆高能質(zhì)子宇宙線，繪制了一張最高能量達(dá)100 TeV(1TeV=1萬億電子伏特)的宇宙線能譜圖?？蒲腥藛T在這張圖上看到質(zhì)子流量先上升、后下降的“拐折”結(jié)構(gòu)，這到底意味著什么?
“這樣的結(jié)構(gòu)，尤其是后半段的下降結(jié)構(gòu)，在以前地面、空間觀測(cè)中都未曾發(fā)現(xiàn)。這很大程度上是由于與國(guó)際同類探測(cè)器比較，‘悟空’在高能段的測(cè)量性能優(yōu)勢(shì)明顯，讓我們看得更清楚，看到了前人未曾看見的現(xiàn)象。”負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的暗物質(zhì)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員岳川說。
除了因精度更高打開的新視野，科學(xué)家進(jìn)一步分析推測(cè)該“拐折”結(jié)構(gòu)可能是某個(gè)鄰近地球的宇宙線源留下的印記。
暗物質(zhì)衛(wèi)星項(xiàng)目組成員、中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)說：“如果宇宙射線源均勻地分布在銀河系中，我們應(yīng)該看到平滑的能譜。之所以出現(xiàn)‘拐折’，很可能是由于地球正好毗鄰某個(gè)宇宙線源。”
科研人員說，空間探測(cè)器受限于“個(gè)頭”太小，能夠接收的數(shù)據(jù)有限，而地面探測(cè)器則可以達(dá)到很大規(guī)模，記錄下更多的數(shù)據(jù)。此次研究的意義還在于，可以通過這一觀測(cè)結(jié)果為下一階段地面宇宙線研究指明方向。如果后續(xù)研究可以積累更多的數(shù)據(jù)，我們有望直接定位這一鄰近的宇宙線源。
指導(dǎo)研制更高能量粒子加速器
自1912年被發(fā)現(xiàn)以來，宇宙線便不斷給人類送來打開微觀世界的鑰匙。通過研究宇宙線，人類發(fā)現(xiàn)了正電子、μ子、π介子等重要粒子，相關(guān)研究也多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。2012年，歐洲核子中心借由目前世界最大的粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。
追求“更高能、更細(xì)微、更強(qiáng)大”，高能物理學(xué)家有著不輸運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技精神。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家建造了數(shù)臺(tái)粒子加速器，試圖破解物質(zhì)更深層次結(jié)構(gòu)和更基本的相互作用規(guī)律。然而，宇宙總能輕而易舉地將人類“秒殺”。來自于銀河系外的最高能量的宇宙線，能量超過10的20次方電子伏特，幾乎是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)所能加速出粒子能量的1000億倍。
到底是怎樣的加速機(jī)制，讓“微觀粒子”擁有相當(dāng)于“宏觀物體”的能量?科學(xué)家大膽設(shè)想，探究宇宙線的粒子加速原理，或可用于指導(dǎo)人類研制更高能量的粒子加速器。而由“悟空”參與其中的宇宙線研究，或?qū)⑹刮锢韺W(xué)煥發(fā)新的活力。
“宇宙線源相當(dāng)于一個(gè)天然的超級(jí)粒子加速器。既然人造對(duì)撞機(jī)填上了標(biāo)準(zhǔn)模型的空白，那么大膽設(shè)想，探究宇宙線中的高能粒子，很可能帶我們打開現(xiàn)有物理模型之外的新世界。”中科院紫金山天文臺(tái)研究員范一中說。
袁強(qiáng)認(rèn)為，人類研制加速器，每突破一個(gè)能量級(jí)別，技術(shù)難度和成本會(huì)指數(shù)級(jí)增加。因此，借助宇宙線研究極高能粒子， 探究宇宙線的加速機(jī)制，有望拓展人類對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，獲得超越加速器的突破性成就。
“悟空”將超期服役至2020年
“悟空”是我國(guó)發(fā)射的第一顆天文衛(wèi)星，于2015年12月17日升空工作，原計(jì)劃在天運(yùn)行3年。已經(jīng)超期服役的“悟空”如今性能如何?
據(jù)了解，2017年以來，“悟空”相繼在電子、質(zhì)子宇宙線測(cè)量方面取得突破性進(jìn)展，標(biāo)志著我國(guó)空間高能粒子探測(cè)研究已躋身世界最前列。接下來，“悟空”合作組還將陸續(xù)發(fā)表更重的核素能譜測(cè)量結(jié)果，可望發(fā)現(xiàn)不同宇宙線核素能譜拐折結(jié)構(gòu)規(guī)律，這將進(jìn)一步揭示高能宇宙線的加速機(jī)制和與星際介質(zhì)的相互作用等物理問題。
暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家常進(jìn)說，衛(wèi)星在軌運(yùn)行近4年來，各有效載荷運(yùn)行良好，已總計(jì)獲取約70億個(gè)粒子的信息，關(guān)鍵科學(xué)工作正在持續(xù)推進(jìn)。從此次最新的研究成果來看，與國(guó)際同類探測(cè)器比較，“悟空”繪出的質(zhì)子宇宙線能譜，在1-100 TeV能段精度最高，其能量上限，比著名物理學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀實(shí)驗(yàn)高出約50倍，比日本學(xué)者領(lǐng)銜的量能器電子望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)高出10倍。
“悟空將延期服役至2020年，同時(shí)我們也已經(jīng)在為下一代空間高能伽馬和粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。”范一中透露，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在開展關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，新的探測(cè)器將改進(jìn)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化低能粒子篩選能力和伽馬射線探測(cè)能力等，預(yù)計(jì)總探測(cè)效能達(dá)到目前的10倍以上。(記者蔣芳、王玨玢)
關(guān)鍵詞： 暗物質(zhì)衛(wèi)星悟空
