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新儀器飛向空間站 意欲揭開暗物質面紗


  來源: 儀器儀表商情網 時間:2015-08-25 作者:荊楚
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2011年升空的AMS由ISS搭載,任務是尋找暗物質并探尋其起源。
       國際空間站宇宙射線能量和質量實驗(ISS-CREAM)主要研究者、美國馬里蘭大學帕克分校天體物理學家Eun-Suk Seo表示,ISS坐落于大氣層外,而這里是宇宙中觀測高能粒子的理想位置。此外,她指出,運載火箭會定期去那里。“為什么不利用它呢?”
       AMS是一個需要花費15億美元和十多年規劃的大工程。而兩個較小的實驗——“高能電子及伽馬射線觀測裝置”(CALET)和ISS-CREAM——將會以高于AMS數倍的能量測量宇宙射線,而且花費更低。
       高能宇宙射線是科學家一睹宇宙物質中發生了什么的最好機會——比如恒星爆發成超新星。陸基探測器能夠觀測其他粒子撞擊大氣層時散發出的耀眼簇射,從而間斷發現宇宙射線。天體物理學家希望在宇宙中的直接測量,將使他們更明確地了解到達地球的宇宙射線粒子的能量和類型。
       麻省理工學院物理學家丁肇中領導的研究團隊曾對外宣布,他們用AMS發現了弱相互作用大質量粒子(WIMP)存在的證據,而WIMP就是一種暗物質的候選體。該設備也是目前靈敏度最高、最復雜、最昂貴的暗物質探測設備。
       盡管AMS是一臺多用途探測器,能在一系列能量范圍中測量電子、質子、核子和反物質,但新實驗將有所側重。8月19日,耗資3300萬美元的CALET從日本宇宙航空研究開發機構的鹿兒島縣種子島宇宙中心搭乘“鸛”號無人貨運飛船升空。這艘貨運飛船將在24日左右抵達國際空間站。空間站上的日本宇航員油井龜美將用機械臂使“鸛”號貨運飛船與空間站對接。CALET將主要用于探測高能電子。這些電子在深空旅行時會迅速喪失能量,因此任何觀測的距離必須在數千光年內。
       “CALET有可能識別出附近能加速電子的源頭。”未參與該項目的新澤西州特拉華大學天體物理學家Thomas Gaisser說。這些來源可能包括超新星殘骸、高度磁化的旋轉中子星(脈沖星),甚至是暗物質團。
ISS-CREAM將由美國太空探索技術公司于2016年6月發射,致力于探測高能原子核。它們的構成將有助于揭示超新星未知的內部運行。“我們甚至未對恒星爆炸原因達成一致。”德國馬普學會射電天文學研究所理論天體物理學家Peter Biermann說,“宇宙射線是那里無論發生什么的最好標記。”
       新實驗還將致力于闡明暗物質的自然屬性。一些模型預測,在深空中撞擊的暗物質微粒將彼此淹沒,釋放出電子和正電子。AMS已經確認目擊到了出人意料的大量正電子,這可能是類似反應的信號。CALET無法從電子中區分正電子,所以它會尋找這兩類高能量粒子總數的順差。
       以這種方式探測暗物質將有助于科學家確定暗物質的一些特性,以便去除錯誤理論,并更進一步識別它。但仍有許多科學家認為,很難將正電子毫無爭議地與暗物質聯系在一起,原因是諸如脈沖星等其他來源也會產生正電子。
       另一個宇宙之謎是宇宙射線的神秘性質——“膝蓋”特性。低能宇宙射線比高能宇宙射線更普遍。當能量增加時,它們的數量會穩步減少,然后在某種程度上出現銳減,有些類似于人腿彎曲。
       科學家懷疑,“膝蓋”標志著超新星開始失去活力時的能量。原因是超新星的吸引力依靠粒子的電荷,有更多質子的核子將能達到更高的能量;ISS-CREAM將檢測這一模式能否支撐。如果結論證實超新星圍繞“膝蓋”逐漸消失,那么更多的高能宇宙射線必須來自更強有力的加速器,尤其是由特大質量黑洞支持的活躍星系。
       終有一天,AMS、CALET和ISS-CREAM會有更多的同伴。ISS上的另一臺設備,日本實驗艙的極端宇宙空間天文臺(JEM-EUSO),計劃于2021年發射升空。該設備將用廣角攝像機俯瞰地球,觀察粒子雨發出的紫外線——這是超高能宇宙射線撞上大氣層時的產物。科學家還希望,JEM-EUSO能幫助他們確定宇宙射線的能量能有多高,甚至追蹤它們的源頭,最終回答宇宙起源問題。
       ISS被科學家們譽為“超級飛行實驗室”,它開創了人類歷史上前所未有的太空研究條件,其上配備了最先進的研究設備。它使得在失重環境下進行長期科學研究成為可能,科學家能在這里進行材料科學、地球環境科學、宇宙科學等領域的研究。按照原先的計劃,空間站的“退休時間”應該是2024~2028年。但目前宇宙環境非常不穩定,相對于以前來講,很多宇宙現象逐漸變得更加明顯,其中最突出的一點就是宇宙射線的輻射強度有了大幅度上升,在極大程度上干擾著ISS的正常運轉。

關鍵詞:國際空間站,磁譜儀,暗物質    瀏覽量:932

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