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三强联手捕捉宇宙射线 将有新仪器飞赴国际空间站

时间:2015年08月25日 信息来源:《中国科学报》 点击: 【字体:

原标题:三强联手捕捉宇宙射线 将有两台新仪器相继飞赴国际空间站

来自面纱星云等超新星残骸的宇宙射线将有助于解释恒星爆发。图片来源:NASA等


国际空间站(ISS)时常“奋力”寻找科学目标,扩大其作为一个宇宙射线观测台的作用。在一年之内,两个新的仪器将与一台名为阿尔法磁谱仪(AMS)的巨大探测器“做伴”。2011年升空的AMS由ISS搭载,任务是寻找暗物质并探寻其起源。


国际空间站宇宙射线能量和质量实验(ISS-CREAM)主要研究者、美国马里兰大学帕克分校天体物理学家Eun-Suk Seo表示,ISS坐落于大气层外,而这里是宇宙中观测高能粒子的理想位置。此外,她指出,运载火箭会定期去那里。“为什么不利用它呢?”


AMS是一个需要花费15亿美元和十多年规划的大工程。而两个较小的实验——“高能电子及伽马射线观测装置”(CALET)和ISS-CREAM——将会以高于AMS数倍的能量测量宇宙射线,而且花费更低。


高能宇宙射线是科学家一睹宇宙物质中发生了什么的最好机会——比如恒星爆发成超新星。陆基探测器能够观测其他粒子撞击大气层时散发出的耀眼簇射,从而间断发现宇宙射线。天体物理学家希望在宇宙中的直接测量,将使他们更明确地了解到达地球的宇宙射线粒子的能量和类型。


麻省理工学院物理学家丁肇中领导的研究团队曾对外宣布,他们用AMS发现了弱相互作用大质量粒子(WIMP)存在的证据,而WIMP就是一种暗物质的候选体。该设备也是目前灵敏度最高、最复杂、最昂贵的暗物质探测设备。


尽管AMS是一台多用途探测器,能在一系列能量范围中测量电子、质子、核子和反物质,但新实验将有所侧重。8月19日,耗资3300万美元的CALET从日本宇宙航空研究开发机构的鹿儿岛县种子岛宇宙中心搭乘“鹳”号无人货运飞船升空。这艘货运飞船将在24日左右抵达国际空间站。空间站上的日本宇航员油井龟美将用机械臂使“鹳”号货运飞船与空间站对接。CALET将主要用于探测高能电子。这些电子在深空旅行时会迅速丧失能量,因此任何观测的距离必须在数千光年内。


“CALET有可能识别出附近能加速电子的源头。”未参与该项目的新泽西州特拉华大学天体物理学家Thomas Gaisser说。这些来源可能包括超新星残骸、高度磁化的旋转中子星(脉冲星),甚至是暗物质团。


ISS-CREAM将由美国太空探索技术公司于2016年6月发射,致力于探测高能原子核。它们的构成将有助于揭示超新星未知的内部运行。“我们甚至未对恒星爆炸原因达成一致。”德国马普学会射电天文学研究所理论天体物理学家Peter Biermann说,“宇宙射线是那里无论发生什么的最好标记。”


新实验还将致力于阐明暗物质的自然属性。一些模型预测,在深空中撞击的暗物质微粒将彼此淹没,释放出电子和正电子。AMS已经确认目击到了出人意料的大量正电子,这可能是类似反应的信号。CALET无法从电子中区分正电子,所以它会寻找这两类高能量粒子总数的顺差。


以这种方式探测暗物质将有助于科学家确定暗物质的一些特性,以便去除错误理论,并更进一步识别它。但仍有许多科学家认为,很难将正电子毫无争议地与暗物质联系在一起,原因是诸如脉冲星等其他来源也会产生正电子。


另一个宇宙之谜是宇宙射线的神秘性质——“膝盖”特性。低能宇宙射线比高能宇宙射线更普遍。当能量增加时,它们的数量会稳步减少,然后在某种程度上出现锐减,有些类似于人腿弯曲。


科学家怀疑,“膝盖”标志着超新星开始失去活力时的能量。原因是超新星的吸引力依靠粒子的电荷,有更多质子的核子将能达到更高的能量;ISS-CREAM将检测这一模式能否支撑。如果结论证实超新星围绕“膝盖”逐渐消失,那么更多的高能宇宙射线必须来自更强有力的加速器,尤其是由特大质量黑洞支持的活跃星系。


终有一天,AMS、CALET和ISS-CREAM会有更多的同伴。ISS上的另一台设备,日本实验舱的极端宇宙空间天文台(JEM-EUSO),计划于2021年发射升空。该设备将用广角摄像机俯瞰地球,观察粒子雨发出的紫外线——这是超高能宇宙射线撞上大气层时的产物。科学家还希望,JEM-EUSO能帮助他们确定宇宙射线的能量能有多高,甚至追踪它们的源头,最终回答宇宙起源问题。


ISS被科学家们誉为“超级飞行实验室”,它开创了人类历史上前所未有的太空研究条件,其上配备了最先进的研究设备。它使得在失重环境下进行长期科学研究成为可能,科学家能在这里进行材料科学、地球环境科学、宇宙科学等领域的研究。按照原先的计划,空间站的“退休时间”应该是2024~2028年。但目前宇宙环境非常不稳定,相对于以前来讲,很多宇宙现象逐渐变得更加明显,其中最突出的一点就是宇宙射线的辐射强度有了大幅度上升,在极大程度上干扰着ISS的正常运转。


(作者:张章)
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