巡天五年半!“悟空”号上新啦

科技日报 2021-09-07 19:54 27881

◎ 科技日报记者 张晔 金凤

“悟空”巡天五年半,四大“火眼金睛”探测器究竟看到了什么?有没有找到暗物质粒子的存在证据?9月7日,国家空间科学数据中心与中国科学院紫金山天文台联合公开发布“悟空”号暗物质粒子探测卫星首批伽马光子科学数据。

“悟空”号伽马射线曝光图

“悟空”号依旧“年富力强”

2015年12月17日,“悟空”号暗物质粒子探测卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。“悟空”的使命是寻找宇宙暗物质。科学家推测,宇宙中95%以上是暗物质和暗能量,其中暗物质占26.8%。暗物质不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用,它无法用任何光学或电磁波观测设备直接“看”到。

目前,国际上有三个著名的暗物质探测器,“悟空”是世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。“悟空”号暗物质粒子探测卫星有效载荷由4个子探测器(塑闪阵列探测器PSD、硅阵列探测器STK、BGO量能器、中子探测器NUD)构成。

“悟空”号载荷结构图

“悟空”号设计寿命为3年,目前已经超期服役,平稳运行达五年半。紫金山天文台相关人员告诉记者,“悟空”号卫星平台、有效载荷均工作正常,已经完成全天区扫描超过11次,获取了约107亿高能宇宙射线事例,已先后获得了宇宙线电子、质子、氦核等TeV以上能区最精确的测量结果,在暗物质间接探测和宇宙线起源方面做出了重要贡献。

伽马射线指引人类寻找暗物质

暗物质粒子间接探测、宇宙线物理和伽马射线天文是“悟空”号卫星的三大科学目标,而对伽马射线的观测是实现其科学目标的重要手段之一。

目前,人类探测暗物质的方式主要分为三类:一是对撞机探测,主要有欧洲核子中心的大型强子对撞机;二是在地下进行的直接探测,我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验;三是间接探测,主要在空间进行。

“悟空”卫星就是采用第三种方式。物理学家们认为,暗物质粒子碰撞后会产生高能粒子,如伽马射线、正负电子、正反质子、中微子等。暗物质卫星就是精确探测这些粒子,通过其能谱、空间分布来寻找暗物质粒子存在的证据。

由于伽马光子不带电荷,在传播的过程中不会被磁场偏转,可以更好地携带暗物质空间分布的信息,故而在暗物质间接探测研究中伽马射线数据具有特殊的价值。暗物质粒子探测卫星的伽马射线观测具有极高的能量分辨率,有望更好地研究暗物质的性质。

国际上已有伽马射线空间望远镜的观测显示,在伽马射线波段具有多种天体以及丰富的天体物理过程值得研究。暗物质粒子探测卫星在2 GeV以上的伽马射线数据中已认证出超过200个恒稳伽马射线源(包括活动星系核、脉冲星、脉冲星风云和超新星遗迹等),可用以深入研究活动星系核的黑洞喷流成分,脉冲星产生脉冲辐射的机制以及超新星遗迹对宇宙线加速的贡献等。暗物质粒子探测卫星的伽马射线数据还将对费米卫星新发现的位于银河系中心的巨大伽马射线泡的形成机制提供新的观测信息。挖掘这些伽马射线数据还将有望对伽马射线时变源提供独立的观测。

3年观测数据一朝解密

早在2017年,“悟空”号科研团队就已向世界展示出首批成果:精确测量太空中的电子宇宙射线能谱。2019年,团队再次公布了对质子宇宙射线能谱的精确测量,发现能谱上存在一处新的结构。科学家们推测,这可能是邻近某宇宙射线源的印记。

科学家从宇宙射线能谱中得出的判断是否准确,有两个相关因素:一是累积的数据量,二是背景的干扰。数据量当然多多益善,而背景则是越低越好。

此次公布数据包括2016年1月1日-2018年12月31日的伽马光子科学数据(共计99864个事例),以及与其相关的卫星状态文件(共计1096条记录),可通过国家空间科学数据中心或中国科学院紫金山天文台网站获取。

伽马光子科学数据主要包括光子数据文件和卫星状态文件两类。光子数据文件是从卫星探测到的事例数据中经过光子挑选得到的,文件主要记录了光子数据的物理信息和GTI(好时间段)信息:物理信息包括光子到达时间、重建能量、重建方向、触发类型等;GTI信息记录卫星观测模式的时间信息。卫星状态文件主要记录卫星的时间、位置、速度、指向和有效时间等信息。为了便于全球的科学家用户进行数据分析,同时提供伽马射线高级数据分析软件DmpST,用以辅助进行科学数据分析。

“悟空”号伽马光子科学数据全天计数图

后续,国家空间科学数据中心与中国科学院紫金山天文台将持续发布伽马光子科学数据,开展数据分析与应用技术及工具的研发,为公众提供更多样、更精细、更透明的数据共享与应用服务。

来源:科技日报 文中图片由中国科学院紫金山天文台提供

编辑:王宇

审核:朱丽

终审:刘海英

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