新知 |“悟空”号发布最新成果!“追踪”2000万个高能质子

时间:2019-10-22 20:24:18 作者:匿名 点击:4930

作为从遥远宇宙到达地球的唯一物质样本,宇宙射线携带着关于天体演化的重要信息。了解它的起源和加速机制将有助于人类越来越深入宇宙。9月28日,“悟空”国际合作小组在《科学进展》国际期刊上公布了宇宙射线的最新结果——通过对高能段宇宙射线中质子的精确测量,在大约14tev处发现了明显的能谱“扭结”(tev是能量单位,即万亿电子伏特)。

“迄今为止,天文学界一直认为宇宙射线模型往往是一条平滑的‘直线’。”暗物质粒子探测卫星(悟空)项目组成员、中国科学院紫金山天文台研究员袁强表示,这一发现表明,传统理论模型需要修正,为揭示高能宇宙射线的起源和加速机制迈出了重要一步。

科学界认为宇宙射线的精确观测是难以到达的“珠穆朗玛峰”。

我们生活的地球不断受到来自外层空间的高能粒子的轰击,包括各种原子核、正电子和正电子、高能伽马射线和中微子,统称为宇宙射线。宇宙射线早在1912年就被发现了,相关的研究获得了几项诺贝尔奖,但迄今为止人类还没有找到它的确切来源。中国发射的第一颗空间天文卫星——“悟空”暗物质粒子探测卫星,除了寻找暗物质之外,其三个科学目标中的第二个就是研究宇宙射线相关的物理问题。“多年来,对高能区宇宙射线粒子的精确观测一直被视为学术界难以企及的“珠穆朗玛峰”。然而,为了找出宇宙射线的来源,我们不能绕过这座科学山。”与世界上同类检测设备相比,“悟空”具有观测能量范围最广和粒子识别能力最好两大核心技术优势,为本次研究提供了大量高质量的数据。袁强指着观察地图说,宇宙射线能谱的明显“扭结”正好在十几个tev的高能部分。宇宙射线的直接测量需要在外层空间进行,因为地球大气层会阻挡并摧毁这些宇宙射线,因此这些高能粒子无法到达地球表面。紫金山天文台研究员范钟毅告诉记者,虽然宇宙射线已经被发现了100多年,但是对它们的直接探测在21世纪才逐渐取得突破。世界上最好的两组直接测量结果是丁肇中先生的ams-02和日本科学家领导的calet实验。前者在2019年仅工作1.8万亿次,而后者仅工作10万亿次。由于宇宙射线质子的通量大约衰减到能量的负2.7次方,所以很难精确测量高能段的质子宇宙射线能谱。悟空这次发布的数据达到了100次。与ams-02和calet相比,观测能量范围分别增加了约50倍和10倍。从实验本身来看,中国的空间高能粒子探测能力居世界前列。”他说。

它有望与地面实验观测合作,验证宇宙射线起源的“两种推测”。

科学进步的每一个“小步骤”都取决于海水的数量和准确的数据。研究人员经过仔细观察和积累记录,实现了每一个“大胆”的理论推测。

这一成就结合了悟空传回的近30个月的观测数据,研究小组从大约45亿个宇宙射线案例中选择了2000万个高能质子悟空团队成员岳川(Yuechuan)告诉记者,通过反复详细的数据分析,团队最终获得了宇宙射线质子能谱“扭结”的精确结构。每天早晚,“悟空”都会经过中国。位于密云、喀什和三亚的三个数据接收站将启动接收程序,接收其返回的约16gb/天的原始数据,然后通过北京国家空间科学中心对数据进行整理和“拼接”,并发送到南京紫金山天文台。“悟空”小组将把有价值的科学成果从积累的海量数据中分离出来。

“悟空”的新成就对于揭示高能宇宙线的起源和加速机制具有重要意义。"我们对这个结果给出了两种理论上的推测."袁强说,14tev处能谱的“扭结”结构可能是地球附近个别宇宙射线源留下的痕迹,扭结能量对应于这个源的加速度上限。还有另一种可能性,银河系中有不同种类的宇宙射线源,它们给出不同的宇宙射线能谱,它们的总和给出观察到的复杂能谱结构。不管是什么样的推测,“悟空”的结果无疑促使科学家们进一步思考宇宙射线物理学的基本问题。“这些问题的最终答案仍然‘隐藏’在更多的观测数据中,例如它们来自什么天体,加速过程有什么特征。”袁强指出,未来要解开宇宙射线起源的谜团,甚至需要结合地面实验,比如正在四川稻城建造的“高空宇宙射线观测站”。

太空种植、考古研究……继“宇宙射线”之后,悟空再次延长“服务”年

追踪隐藏在浩瀚星际空间中的“宇宙射线”,不仅为人类“仰望星空”打开了一扇窗户,也为我们“扎根地球”带来了更深远的意义。

“人们从宇宙射线中发现了大量新粒子,有效地促进了人类对物质基本结构及其相互作用规律的理解。”齐泰研究人员表示,“宇宙射线”与宇宙中的极端天体现象密切相关,反映了天体的形成和演化。同时,它也影响着人类的生活。例如,科学家将种子送入太空并受到宇宙射线照射后,种子会发生基因突变,从而筛选出优良品种。其他研究使用宇宙射线喷嘴(具有强大穿透力的粒子)来成像金字塔和进行考古研究。

袁强说,总而言之,宇宙射线曾经在基本粒子物理学科中扮演了非常重要的角色。它们与物质的相互作用类似于人工加速器和对撞机,但是宇宙射线的能量可以达到比人工加速器高得多的水平。监视宇宙的“信使”,探索更多“宇宙射线”的线索,仍然是“悟空”太空之旅的重要任务。“悟空”在2015年12月被送入太空后,已经勤奋工作了近4年。根据最新数据,截至2019年10月1日,已经围绕地球运行了21,055条轨道,探测到70.8亿个宇宙粒子。将来,这些数据将继续刷新。“悟空”的设计寿命为3年。虽然目前处于“扩展服务”状态,但探测器性能指标非常稳定。岳川表示,其“服务”时间可能会继续延长。“根据目前的情况,“悟空”可能可以工作10年以上,收集的粒子数量预计将达到200亿。”悟空的三大科学目标是间接探测暗物质粒子,解决宇宙射线起源和传播的难题,以及研究伽马射线天文现象。我们未来的科学研究仍将集中在这三个问题上。"“悟空”卫星首席科学家张进说. "悟空”已经在天空巡视了三年多,取得了一个又一个的重要成就,为人类提高物理认知、揭开宇宙秘密打开了一扇新的窗口。路口记者王梦然