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“悟空”探星空 1年多发回19亿个粒子数据

2017-01-23 12:44:18

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  丙申猴年将尽,宇宙中一只伶俐活泼的小猴子——“悟空”近来也忙得很。

  据中科院紫金山天文台通报,暗物质粒子探测卫星“悟空”近期频繁记录到来自超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是科研团队自卫星上天后首次发布观测成果,引发了各方关注。

  2015年12月17日“悟空”成功发射,在轨飞行的一年多,它的火眼金睛看到了什么?悟空的“师父”们——科学家在后方怎样工作?

  每天定时体检,对“悟空”采集的数据进行标定和重建

  早上五六点,中科院紫金山天文台办公楼三楼一间办公室就亮起了灯。“悟空”每天绕地球飞行15圈,每圈4万多公里,一天下来“腾云驾雾”60多万公里,“悟空”的身体是最让“师父”们挂心的。

  他们一天的工作,就从为“悟空”体检开始。“载荷状态监视岗”的值班人员,开始接收每天4轨的监测工程参数、科学数据,并通过这些信息,为“悟空”测一测温度、量一量高压。

  紫金山天文台副台长、暗物质粒子探测卫星首席科学家常进,是“悟空”的总负责人,他每天第一件事就是查看“悟空”的体检报告:“刚发射的时候我担心会出现意外,所以安排每天两班人马。但是‘悟空’的表现很好,除了在6月份遇到一次因为太空复杂环境导致的问题,其他基本正常,平时只需要一人监控值班。”

  常进说得淡定,但其他“师父”们却偷偷告诉记者,那次“悟空”生病,常进急得睡不着觉,还发了低烧。好在对症下药后,“悟空”很快就痊愈了。

  “悟空”也定期向后方的“师父”们汇报工作。每天清晨和傍晚,当它飞过中国境内,位于密云、喀什、三亚的三个数据接收点就会接收到数据,每天约有13G。这些数据先是汇总到怀柔的地面支撑系统,之后再传回紫金山天文台的暗物质实验室进行分析。

  科学应用系统总设计师伍健用“盲人摸象”来形容分析过程。“悟空”每天传送回500万个粒子信息,粒子包括原子、电子、中子等。原子由原子核和绕核运动的电子组成,电子与正电子会因碰撞而湮灭,在这过程中产生光子。500万当中,电子只有不到千分之一,而光子只有十万到百万分之一。此外,“悟空”探测器共有7万多路电子学信号通道,采集到的数据必须得标定和重建,就如同7万多个盲人在摸象。

  分析第一步称为标定,就是把二进制电子信号转换成能量,就好比为数万个盲人千差万别的感觉确定一个标准。第二步是数据重建,相当于将每个盲人摸到的部分拼凑到一起。这也仅是真正物理分析的基础,接下来的关键是要挑选出那千分之一的电子。10多年前,常进提出的挑选方法,已成功应用在南极热气球实验、暗物质卫星和日本的空间站实验“电子量能器”的科学分析中。

  由于成千上万路信号汇总之后,才能还原出目标粒子是什么种类、到达时间是否均匀、方向分布有无特殊性等信息,“师父”们要加班加点甚至通宵工作才能完成。为提高准确率,标定和重建一直在不断改进,目前数据分析所用的软件总共修改了5000多次。

  365个日日夜夜,“悟空”与“师父”们就在这重复的程序中度过。

  搜寻暗物质、研究宇宙射线等任务取得了阶段性成果

  前不久,“悟空”首次擒获“小妖”,频繁记录到超大质量黑洞CTA 102的伽马射线爆发。这是怎样发现的、又有怎样的意义?

  紫金山天文台暗物质与空间天文研究部研究员袁强介绍,在这里,“师父”们分成两组工作,一组负责卫星运行控制,另一组是进行科学分析。科学分析小组每天都将“悟空”传回来的500万个粒子分门别类并深入分析。去年10月份以来,光子组研究人员发现在CTA 102的方向不断有高能光子到达,有时一天之中甚至来好几个事例,而以往一个星期也观测不到一个。经过持续观察,他们认为这是来自超大质量黑洞伽马射线爆发的情况。

  当然,这只是“悟空”的一次牛刀小试。作为目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优和粒子鉴别能力最强的高能粒子探测卫星,“悟空”由卫星平台和4个有效载荷组成,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测器。它们共同构成一个高能粒子望远镜,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,能量分辨率比国际同类探测器高3倍以上。

  此次上天,“悟空”还肩负着研究宇宙射线起源和伽马射线天文学的使命,目前也都已经有了阶段性结果。

  一年多来,“悟空”发回了19亿个粒子数据。其中,5GeV到10TeV区间的高能电子数量已经超过100万个。理论上,人们认为暗物质粒子湮灭或衰变可以产生高能电子,通过这些数据便可以搜寻暗物质粒子的踪迹。高能电子还可以用于探索邻近的电子宇宙射线源,这是因为高能电子在星系中只能跑很短的一段距离,从而带给我们的是太阳系附近的源的信息。

  伽马射线观测方面,“悟空”还观测到了脉冲星、恒星爆炸后形成的超新星遗迹等天体。“悟空”在一年多时间里,已经完成两次全天扫描,成功绘制出一张全天伽马射线图,这是国际上仅有的3幅GeV辐射天图之一。

  那么, 高能量的宇宙射线究竟是来自于黑洞,还是来自于超新星的遗迹,抑或是某些现在还未知的天体?目前学术界有多方猜测。作为一个宇宙射线望远镜,“悟空”也可以用来研究宇宙射线的起源、传播和加速等。

  “目前,仍是积累数据阶段,说其中包含着多大的成果还为时尚早。”常进坦言,但这一年“悟空”已经超额完成目标。

  继续全天扫描高能粒子,有望打开观测宇宙的新窗口

  在我们身边,每分每秒都有无数的暗物质粒子穿越人体和其他物质,但我们却感觉不到,它们就是“暗物质”。根据科学家研究,宇宙中约分布着68%的暗能量和27%暗物质。而我们所看得见、摸得着的普通物质仅占5%,就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。

  暗物质和暗能量被视为现代物理学和天文学的“两朵乌云”,业内认为,揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃。

  伍健介绍,目前,科学家大致有三种方法探测暗物质:利用加速器将暗物质粒子“创造”出来;在地下布好“靶子”,等着暗物质粒子撞击留下可见粒子的蛛丝马迹;到茫茫太空捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹。“悟空”采用的是第三种方法。

  在新一年,“悟空”还将继续遨游太空,接受来自宇宙四面八方的高能粒子。由于暗物质的踪迹的不确定性,“悟空”将在上天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,它将展开定向观测。

  “我们继续忙并快乐着。”说起自己的新一年的小目标,常进坦言,还是按部就班地做好工作,尽早发表第一批研究成果。目前用于第一批成果所需要的分析数据,已经获取了一大半,但是在余下部分完成前,谁也说不好将会遇到什么。

  “只要‘悟空’一切运行正常,就为我们打开了观测TeV能量以上的宇宙的新窗口,未来就有可能在暗物质间接探测、高能天体物理、宇宙射线物理等方面,带给我们更多惊喜。”袁强说,TeV能量级别,大约是地铁安检中X光能量的10亿倍,如此高能的电子只在宇宙射线中存在,而以前的实验从未准确地观测过它们。这就是一块未知的旷野,等待着“悟空”的火眼去发现。(姚雪青)



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