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“悟空”获得最精确电子宇宙线能谱

打开暗物质观测的新窗口

冯杰

2017年12月04日 12:00

本报记者 齐芳
《光明日报》http://epaper.gmw.cn/gmrb/


暗物质粒子探测卫星“悟空”第一篇科学论文在北京时间30日凌晨2点出版的国际学术期刊《自然》在线发表,我国科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。据“悟空”首席科学家、中国科学院紫金山天文台副台长常进研究员介绍,“悟空”是世界首个可以在空间观测直至10TeV(1TeV=1万亿电子伏特)能量的电子和伽马射线探测器,打开了暗物质观测的新窗口,让人类寻找暗物质的旅程前进了一大步。

暗物质和暗能量被称为笼罩在现代物理学上空的“两朵乌云”,对暗物质的寻找和研究是粒子物理和天体物理领域最重大的问题之一。“悟空”的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。

据常进介绍,经过近两年的在轨运行,“悟空”共采集到约28亿高能宇宙射线,其中包含约150万25GeV(1GeV=10亿电子伏特)以上的电子宇宙射线。与费米卫星、阿尔法磁谱仪等国际上已有的空间暗物质探测装置相比,“悟空”有三个特点:

最高能——“悟空”的电子宇宙射线的能量测量范围显著提高。之前,利用气球实验或太空实验进行的直接测量最多只达到2TeV左右,而“悟空”能够检测最高约10TeV的宇宙线电子和正电子。

最纯净——能够最大限度地过滤掉宇宙射线的“杂音”,也就是其中混入的质子数量最少,测量到的TeV电子能谱的准确性高。

最精确——“悟空”对高能电子和伽马射线能量测量最准确。“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,即超高能电子数目出现了快速减少。常进表示,这与之前地面望远镜阵列实验的结果类似,但“悟空”的结果误差显著减小,置信度高。特别值得一提的是,“悟空”卫星的数据初步显示在1.4TeV能区存在能谱精细结构。常进解释,所谓“精细结构”就是“精确地观测到了电子数量忽然上升随后又下降的尖锐变化”,但“目前我们的数据量还不足以对其进行确认”。“悟空”运行良好,预期还将在轨运行至少3年持续收集数据,“一旦该精细结构得以确认,将是开创性发现”。

“悟空”于2015年12月17日发射成功,其采用中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子”两项关键技术指标处于世界领先水平,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常“尖锐”的能谱,即电子数目随能量突然发生变化的信号,是国际暗物质研究的重要一员。

“悟空”的发现意味着什么

北京时间11月30日凌晨2时,国际学术期刊《自然》在线发表了暗物质粒子探测卫星“悟空”的首篇科学论文。其最重要的发现就是首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,并发现在1.4TeV处存在能谱精细结构的迹象。那么,这些发现意味着什么?这问题需要理论物理学家来解答。

问题一:1TeV处的“拐折”意味着什么?

理论物理学家、中国科学院紫金山天文台研究员范一中介绍说,人类目前无法直接观测暗物质,只能通过探测电子宇宙线等间接手段来寻找暗物质的踪迹。“电子宇宙线可能源于脉冲星、超新星等天体,也可能源于暗物质湮灭或衰变。”

那么,如何区分电子宇宙线源,就成为探测暗物质的关键问题。范一中认为,解决这个问题可能就要靠“拐折”。范一中说,“悟空”首次直接测量到电子宇宙射线能谱在1TeV处的“拐折”,与之前地面暗物质探测实验的结论可以互相印证。他认为,这个“拐折”反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,如果能精确地了解其下降行为,对于判定能量低于1TeV的电子宇宙线是否来自暗物质起着关键性作用。

问题二:1.4TeV处可能存在能谱精细结构说明什么?

“悟空”数据初步显示在1.4TeV处可能存在能谱精细结构,也就是超高能电子数量在1TeV附近产生“拐折”,在能谱分布上形成了一个尖锐的凸起。理论物理学家、中国科学院大学常务副校长吴岳良院士认为,这提供了暗物质粒子存在的一个可能的新证据。

吴岳良解释道:“理论上我们提出了可能产生这种尖锐能谱的两类方案:一类是在时间上能连续产生高能电子的天体,称为连续源;另一类是只能在短暂时间内产生高能电子的天体,称为短暴源。”连续源可以是暗物质形成的类点源,如由原初中等质量黑洞吸积暗物质而形成的高密度暗物质环,也可能是扩展源,比如由暗物质形成的子结构、暗物质子晕等。短暴源包括脉冲星云、超新星遗迹等。

分析表明,当产生高能电子的这些源为邻近源时,可解释“悟空”探测到的在1.4TeV附近的尖锐能谱,其宽度决定邻近源的距离。但是,这要求短暴源天体有不同于通常的幂律指数。因此,这个尖锐能谱最有可能是连续源的暗物质湮灭产生的,“但我们需要更多数据加以确定。如果未来我们能够确认这一精细结构,这将是暗物质存在的新证据”。

吴岳良表示,这只是对“悟空”数据分析的一些初步结论,理论物理学家们将持续分析这些数据,“或许我们能得到更多新发现”。



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