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中科院暗物质卫星团队收集19亿个粒子数据

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出处:www.lunrr.com
时间:2020-06-30

作者:姚青雪资料来源:人民日报发布日期:2017/1/23 10:009:20

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暗物质卫星队收集19亿粒子数据

“悟空”团队正在编写分析软件,首席执行官常进在左边。

中国科学院紫金山天文台提供地图

猴年日历只剩下最后几页了。丁有鸡年就在眼前。在年底和年初,我们推出了一项特别计划“我的一年”(My Year),倾听不同领域领导人对其工作的总结和期望,并谈论他们对各自行业的观察和想法。这些个人的见解和收获可能正是对这个时代和社会最敏锐的捕捉。猴年年底,宇宙中聪明活泼的猴子“悟空”最近很忙。

根据中国科学院紫金山天文台,暗物质粒子探测卫星悟空最近频繁记录超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是自卫星发射后第二天,科研小组首次公布观测结果,引起各方关注。

悟空于2015年12月17日成功上线。经过一年多的在轨飞行,它看到了什么?悟空的“大师”科学家是如何在后方工作的?

每天定期检查,校准和重建“悟空”收集的数据

上午5点和6点,中国科学院紫金山天文台办公楼三楼的一间办公室开灯。“悟空”每天绕地球飞行15次,每次飞行距离超过4万公里。一天结束时,他“驾云”飞行了60多万公里。“悟空”的身体最令“主人”担忧。

他们一天的工作始于对悟空的身体检查。“负荷状态监测站”值班人员开始每天接收4条轨道的监测工程参数和科学数据,并通过这些信息为“悟空”测量温度和高压。

常进,紫金山天文台副台长,暗物质粒子探测卫星首席科学家,是“悟空”的首席经理。他每天的第一件事就是检查“悟空”的体检报告:“当我第一次下水的时候,我担心会出事,所以我每天安排两个队。然而,“悟空”表演得很好。除了6月份复杂的空间环境造成的问题外,其余情况基本正常,平时只需要一个人监视和观察。”

常进平静地说,但其他“大师”秘密告诉记者,“悟空”病了,常进急得睡不着觉,发高烧。幸运的是,“悟空”在开了正确的药方后很快康复了。

“悟空”也定期向后方的“师傅”汇报。每天早晚,当它飞越中国领土时,位于密云、喀什和三亚的三个数据接收点将接收数据,大约每天13G。这些数据首先被收集到怀柔的地面支持系统中,然后返回紫金山天文台暗物质实验室进行分析。

科学应用系统的总设计师吴健将分析过程描述为“盲人触摸图像”。悟空每天发回500万条粒子信息,包括原子、电子、中子等。原子由原子核和围绕原子核运动的电子组成。电子和正电子由于碰撞而湮灭,光子在这个过程中产生。在这500万个电子中,电子不到千分之一,而光子只有十万到百万分之一。此外,“悟空”探测器有70,000个电子信号通道,收集的数据必须经过校准和重建,就像70,000多名盲人在摸索图像一样。

分析的第一步叫做校准,就是将二进制电子信号转换成能量,就像为成千上万盲人的不同感受设定标准一样。第二步是数据重建,这相当于将每个盲人触摸的部分拼接在一起。这只是真正物理分析的基础。下一个关键是选择1/1000的电子。十多年前,常进的选择方法已经成功应用于南极热气球实验、暗物质卫星和日本空间站实验“电子量热仪”的科学分析。

由于在能够恢复诸如什么样的目标粒子、到达时间是否均匀、方向分布是否特殊等信息之前,可以收集成千上万的信号,所以“主人”必须加班甚至通宵工作才能完成工作。为了提高准确率,标定和重建一直在不断改进。目前,用于数据分析的软件已经修改了5000多次。

365天365夜,“悟空”和“师父”在这个重复的过程中度过。

对暗物质的探索和宇宙射线的研究已经取得了初步成果。

不久前,“悟空”第一次捕获了“小恶魔”,并频繁记录超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是如何发现的,它的意义是什么?紫金山天文台暗物质和空间天文学研究部门的研究员

袁强说,在这里,“大师”被分成两组,一组负责卫星运行控制,另一组负责科学分析。每天,科学分析小组对悟空返回的500万个粒子进行分类和分析。自去年10月以来,光子组研究人员已经发现高能光子一直朝着CTA 102的方向不断到达。有时一天甚至有几个例子,但在过去的一周里没有一个。经过持续观察,他们认为这是超大质量黑洞的伽马射线爆发。

当然,这只是对“悟空”的一个小小的考验。悟空是世界上观测能量范围最广、能量分辨率最高、粒子识别能力最强的高能粒子探测卫星,由卫星平台和四个有效载荷组成,即塑料闪光阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量热计和中子探测器。它们一起形成高能粒子望远镜,可以高精度地测量入射粒子的信息。最高可观测能量是国际空间站“阿尔法磁谱仪”的10倍,能量分辨率比类似的国际探测器高3倍以上。

这次,“悟空”还被赋予研究宇宙射线起源和伽马射线天文学的任务,并取得了阶段性成果。

一年多来,“悟空”已经发回了19亿个粒子数据。其中,5千电子伏特到10千电子伏特之间的高能电子数量已经超过100万。理论上,人们相信暗物质粒子的湮灭或衰变会产生高能电子,可以用来寻找暗物质粒子的踪迹。高能电子也可以用来探索附近的电子宇宙射线源,因为高能电子只能在星系中传播很短的距离,从而给我们带来太阳系附近的源的信息。

对于伽马射线观测,“悟空”还观测到脉冲星、恒星爆炸后形成的超新星遗迹以及其他天体。在一年多的时间里,“悟空”完成了两次全天扫描,并成功绘制了一幅全天伽马射线图,这是世界上仅有的三幅GeV辐射天空图之一。

那么,高能宇宙射线是来自黑洞、超新星遗迹还是一些未知天体?目前,学术界有许多猜测。作为宇宙射线望远镜,“悟空”也可以用来研究宇宙射线的起源、传播和加速。

"目前,它仍然是数据积累的阶段,现在说它包含多少成就还为时过早。"常进坦白承认,但今年“悟空”已经超过了目标。

继续全天扫描高能粒子,并希望打开一扇观察宇宙的新窗口

在我们周围,无数的暗物质粒子每分每秒都穿过人体和其他物质,但我们并不觉得它们是“暗物质”。根据科学家的研究,68%的暗能量和27%的暗物质分布在宇宙中。然而,我们只能看到和触摸到5%的普通物质,就像深夜里几颗闪亮的星星。

暗物质和暗能量被认为是现代物理学和天文学的“两块乌云”。该行业认为,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论和量子力学之后的又一次重大飞跃。

吴健说,目前,科学家们大致有三种探测暗物质的方法:使用加速器“创造”暗物质粒子;在地下设置“目标”,等待暗物质粒子撞击并留下可见粒子的痕迹;捕捉广阔空间中暗物质粒子湮灭或衰变留下的痕迹。“悟空”使用第三种方法。

在新的一年,“悟空”将继续在太空旅行,并从宇宙的各个方向接收高能粒子。由于暗物质踪迹的不确定性,“悟空”将在升入天堂后的头两年进行全天扫描。如果在某些方向发现有趣的结果,它将启动定向观测。

“我们继续忙碌快乐。”谈到他新年的小目标,常进坦率地说,他会一步一步地工作,尽快公布第一批研究成果。目前,已经获得了第一批结果所需的一半以上的分析数据,但是没有人能够说在其余的完成之前会发生什么。

“只要悟空运转正常,它将为我们观察TeV能量上方的宇宙打开一扇新的窗口。未来,它可能会在间接暗物质探测、高能天体物理学、宇宙射线物理学等领域给我们带来更多惊喜。”袁强说,在地铁安检中,TeV的能量水平大约是x光能量的10亿倍。具有如此高能量的电子只存在于宇宙射线中,这在以前的实验中从未被精确观察到。这是一片未知的荒野,等待着“悟空”之火的发现。

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