《自然》发表紫台在空间高能电子观测领域取得的重大发现
对解决宇宙线起源之谜意义重大

    11月20日出版的《自然》杂志发表了中科院紫金山天文台与国外同行合作发表的论文“宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现‘超’。这是紫金山天文台空间天文实验室与国外同行在宇宙高能电子空间观测领域的最新发现。

    暗物质的存在目前科学界已经有了很强的证据,但它究竟是什么?直到现在还不清楚,因此,暗物质的探测成为目前科学界最大热点之一。紫金山天文台与美国、德国、俄罗斯的有关单位自1998年开始合作,研制和不断改进探测器,利用美国南极长周期气球项目观测高能电子。结果发现,电子能谱在3000至8000亿电子伏特能量区间,与理论结果比较有一个很强的“超”,分析表明该“超”可能是暗物质粒子湮灭的产物,观测结果与暗物质理论预言的Kaluza-Klein 粒子模型吻合得很好。该结果如果正确,不光是解决暗物质是什么这个难题,同时暗示宇宙存在额外维,可能导致物理学方面的重大突破。

    该项研究共有20位合作者,涉及中国、美国、德国、俄罗斯等国家的7个研究单位,紫金山天文台为第一单位,负责科学思想的提出、高能电子探测技术、观测数据分析、理论研究和文章的成文。

    该成果目前已引起国际学术界的广泛关注。《自然》杂志为了宣传该论文的科学意义,对本文的第一作者——紫金山天文台研究员常进作了专访并发表在同期杂志上。《自然》还在同期“News & View”栏目进行了专题报道。《科学》杂志也将以“Dark Matter Story” 为题,重点介绍该成果。此外,英国的《新科学家》、美国《纽约时报》、美国航空航天局科学中心的science@nasa 等媒体也都将在近日对该成果进行报道。

    评论普遍认为,该观测如果被证实,将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中,开启了一个新的“窗口”。瑞典斯德哥尔摩大学,暗物质理论专家Lars Bergstrom对《科学》杂志的记者说,ATIC数据与Pamela数据吻合很好,一方面ATIC测量了电子和正电子流量总和,另一方面测量了更高能量范围的上升,并看到了流量下降,所以从ATIC测量结果看,目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。 当然,目前电子的观测精度还不高,该“超”也不能完全排除来自于近地附近的特殊天体。即使这样,这一结果也很有意义,这是人类第一次直接探测到来自于“天体”的高能粒子。英国爱丁堡大学Taylor教授对《新科学家》的记者说:“即使最后证明该超不是暗物质产生的,ATIC观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。”

    背景资料:

    国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱一直是空白,因为在空间观测高能电子是一件十分困难的事情,主要问题是如何将高能电子从大量的宇宙线本底中找出来(宇宙线本底流量比高能电子流量高100到1000倍以上),常用的空间磁谱仪方法(类似于AMS),技术复杂,价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直工作在国际前沿,希望找到一种简单便宜的方法,在空间观测高能电子。

    美国南极长周期气球项目“ATIC”原来的科学目标是在空间观测高能宇宙线,电子和伽玛射线不在其列。1998年,紫金山天文台常进研究员与 “ATIC”接触,提出用探测器观测高能电子的建议。紫台通过大量的计算,证明适当地修改设计,“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线,结果被“ATIC”项目组初步接受。1999年,课题组专门将探测器运到欧洲核子中心进行实验,测试结果表明探测方法完全可行。2001年,探测器在南极进行了第一次试观测,观测结果表明“ATIC”可以同时观测高能电子和伽玛射线。2002年,探测器在南极进行了正式观测,获得完全成功。2007年,ATIC进行了第四次观测(2005年,第三次观测因为气球的原因没有成功),紫金山天文台专门派人去南极美国基地负责电子观测。探测器专门为了观测电子进行了修改,能量分辨提高了2倍,本底降低了5倍。初步分析表明,观测结果与前几次观测吻合得很好。

    名词解释:暗物质

    1937年,天文学家弗里兹·扎维奇(Fritz Zwicky)发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。最新天文观测表明:宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙的25%,暗能量占70%,而我们通常理解的物质只占宇宙质量的5%。宇宙“暗”的一面,主宰了整个宇宙。尽管天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在,但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。

    额外维

    “维”是表示空间或图形的广延性而使用的一个概念。爱因斯坦提出宇宙是空间(三维)和时间(一维)合起来组成的“四维时空”。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空(即三维空间加上时间)上再添加一个空间维,也就是添加一个第五维,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,改写后的方程式可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。后来,凡是这样添加的维都叫做“额外维”。即空间是3+N维的。这些N个额外维被局限在极小的空间尺度内。

紫台抓住暗物质粒子湮灭证据?
■一经证实,意味着人类首次发现了暗物质存在的形式,将是物理学的重大突破
■若不被证实,对解决宇宙起源这一未解之谜也意义重大

(现代快报2008.11.21)

   宇宙份额:在宇宙中占5%

  观测情况:人类可以看到,直接观测到

  存在形式:已知。物质的种类形态万千,物质的性质多种多样,人类对其存在形式已经相当了解

  宇宙份额:在宇宙中占90%,远远超过目前人类可以看到的物质

  观测情况:虽有大量观测间接表明其存在,但缺乏直接观测证据

  存在形式:直到目前为止,人类还不知道它以怎样的形式存在,抓住暗物质成为科学界竞相追逐的目标

  暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙90%的地盘,却摸不到看不着,甚至让爱因斯坦都迷糊了,否认了它的存在。令人兴奋的是,经过10年观测,紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子,这可能是暗物质存在的一个有力证据。

  2008年11月20日,《Nature》上发表了中国天文学家、中科院紫金山天文台研究员常进与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。如果这一成果被进一步证实,这将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的可能证据,也将是现代物理学的重大突破。

  以严谨著称的《Nature》经过多轮考察,以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访,刊登在同期刊物上。该项研究成果引起科学界广泛关注。 《Science》将以“Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。此外,英国的《新科学家》(New Scientist),美国《纽约时报》(New York Times)、美国航空航天局科学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20日或稍后对该成果进行报道。评论普遍认为,该观测如果被证实,将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。同时在天文观测中,开启了一个新的“窗口”,意义十分重大。有专家评论认为,即使最后发现不是暗物质粒子湮灭的证据,常进等科学家的观测对揭开宇宙起源也有重大意义。

  学界轰动

  什么是暗物质

  看不见、摸不着、重如山

  在现代天文学界和物理学界,有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解,它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题,这便是暗物质,暗物质的本质到现在还不清楚。

  1937年,天文学家弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果,这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还存在其他引力。天文学家进一步推断,在人类已知的宇宙物质之外,还有一种物质存在。平常人很难理解暗物质,常进告诉记者:“这个物质很奇怪,不仅本身不发光,而且光线也射不进去,所以人是看不到的。最令人惊讶的是,它虽然摸不到,却有重量和引力,如果前面有个暗物质山,可能会将人压死。”

  常进介绍,最新的天文观测表明,宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量,其中暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。宇宙“暗”的一面,主宰了整个宇宙。

  有趣的是,爱因斯坦曾提出暗物质这个概念,又被他自己否定了,原因很简单,他认为暗物质破坏了他的经典论著《相对论》的优美。

  寻找暗物质

  全球24个实验室竞相追逐

  科学发展到今天,已经到了寻找暗物质的黄金时期。有关专家预计,全球大约有24个研究小组在寻找暗物质。2000年,正在意大利大萨索山脉附近的一个地下实验室工作的意大利科学家声称已经探测到一个暗物质信号。但没有人能再现这一结果,而且这一断言没有得到科学界的广泛认可。

  常进说:“尽管从上世纪30年代开始,天文大尺度观测实验多次间接验证了暗物质的存在,但物理上直接的观测证据到现在还没有找到,暗物质探测成为目前科学界最大热点之一,但谁都没有真正看过它的真面目。”

  突破口

  先找暗物质的“儿子”

  暗物质找不到?没有关系,可以先找找它的儿子。常进告诉记者,世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质的时候,两者都会被摧毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,那么所产生的能量将更大。如果能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的“儿子”,也就是高能电子,其流量远高于正常值,这就间接证明有暗物质的产生。

 

  观测气球有足球场大

  国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱是空白,常用的空间磁谱仪方法技术复杂,价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直在探索寻求一种简单有效的观测高能电子方法。

  美国南极长周期气球项目“ATIC”(先进薄电离量能器)本来的主要科学目标是观测高能宇宙线,电子和伽玛射线不在其列。1998年,常进与“ATIC”接触,提出用“ATIC”的设备观测高能电子和伽玛射线。经过多次沟通,常进的建议被“ATIC”接受。

  常进透露说,别看南极气候恶劣,却往往有独特的“旋风”。由于地球引力,气球不会一直升空,如果有了旋风,气球升到离地40公里时不会被吹很远,可以就地回收再利用,要知道,一个探测仪器可是上亿人民币,如果在其他地区,就会丢失或者乱飘,都会造成损失或危险。

  “一个观测器就重两吨”,常进笑着说,一个气球就有足球场那么大,这才能把仪器带上空。最远的一次,观测仪器甚至飘到了距离始发地4000公里的地方,由于有高科技的定位系统,所以很快被搜寻到。常进告诉记者,目前我们国家正努力争取制造自己探测仪器。

  十年努力终获认可

  2000年底至2001年初,经过改造后的“ATIC”观测设备在南极升空观测高能电子。常进介绍,首次观测非常成功,他们获得了大量高能电子的数据。但经过计算和研究后发现,他们所观测到的高能电子的流量与目前学界已掌握的情况有较大差异。

  据了解,以往学界普遍认为太阳系附近的高能电子主要来源于超新星遗迹,并建立了太阳系高能电子流量模型。可他们获得的高能电子的流量远远超出了模型预计的流量。这意味着高能电子还存在别的“起源”。

  不明来源的高能电子究竟来自何处?常进告诉记者,这有很多种可能,经过分析,他们发现观测结果与目前暗物质理论模型相吻合。表明这些不明来源的高能粒子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。这样的研究结果让研究团队非常激动,但课题组认为还需要对这一结果进行多次观测验证。

  此后的7年中,常进与合作者在南极进行了3次观测(其中1次因气球漏气失败),他们共观测到3000多万个宇宙线粒子,经过层层筛选,他们找到210个高能电子。在翔实的数据面前,研究人员在说服自己的同时,也得到了业内人士的认可。

  发现暗物质粒子湮灭证据?

  “当然这些还待进一步观测研究去检验,”常进说,一旦被证实,那就意味人类首次发现了暗物质存在的形式,这将是现代天体物理学的重大突破。

  常进表示,目前高能电子的观测精度还可以进一步提高,并不排除这些不明来历的高能电子来自于太阳系附近的特殊天体。即使这样,这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子。

  常进告诉记者,他们的研究刚刚开始。今后,他与研究团队将进一步提高观测设备精度,以期得出更加翔实的数据,找到更为充分的证据。

■延伸阅读

  宇宙从哪里来

  到哪里去?

  英国爱丁堡大学Taylor教授评价说:“紫台的这个发现即使最后证明高能电子不是暗物质产生的,但他们进行的观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。”也许我们等不到科学给我们最终的一个正确答案,但不妨先看看科学家猜测宇宙的各种“归宿”。

  循环论:

  宇宙是轮回的

  这是科学家最近提出来的。该理论认为,宇宙将永远不会结束,而是处于从生长到消亡的循环过程中。大爆炸既不是宇宙的起点也非终点,而只是宇宙不同阶段的“过渡”,如今的宇宙是在上个宇宙的尘埃中诞生。

  膨胀论:

  宇宙将不断膨胀下去

  这是英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金等人所持有的观点。他们认为宇宙将永远膨胀下去,不断扩大。最终我们将看到,星体会离我们越来越遥远,也越来越黯淡。

  逆转论:

  宇宙最终会变成一个点

  按照这种观念,宇宙的膨胀速度不仅会减慢,而且会逆转回去,将所有的物质挤压,最后浓缩成一个“症结点”,并在剧烈的大爆炸中消亡。宇宙消亡的时间是今后100亿到200亿年,也就是在宇宙现有年龄两倍时。

谦虚的常进:这些数据都是机器找出来的

(现代快报2008.1121)

昨天,全世界的科学家在浏览当天的新闻时,相信都会被《Nature》杂志发表的《宇宙电子在3000亿-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》新闻所吸引。内行的科学家们知道,这可能是人类第一次“触摸”到暗物质。

  很多人作出贡献却未署名

  记者在拨通常进的电话时,他正在和朋友吃饭,他调侃说,“以你们新闻的眼光,这应该是当天最炙热的新闻之一了吧。”

  常进告诉记者,他们这个研究“暗物质”的团队是一个国际化组织,已经整整研究10年了。有很多人在默默地付出,前后有50多人参与进来,而写在文章上的只有20多人。在这10年中,研究人员光是南极就去了三次,在极度寒冷和危险的环境下工作,困难是可想而知的。

  “每一天我们都在进行思想的碰撞,如果大家有什么好的IDER冒出来,马上都会通过网络进行交流,每次的国际会议,总有说不完的话,大家面对面地进行讨论、切磋、商讨下一步的研究方案,不知不觉一天就过去了。每一次的碰撞,我们的工作就向前推进了一点。”常进说。

  每天工作12小时家常便饭

  带着特有的好奇心,对于这个科研团队的科学家们对于寻找暗物质都充满着热情,每天工作12个小时,那是家常便饭,因为感兴趣,所以面对高深艰难的数字,并不觉得枯燥。

  对于这次的研究发现,常进显得十分谦虚,他告诉记者,其实能找到暗物质湮灭粒子可能证据,是运气而已。这些数据都是机器找出来的,我们所要做的工作就是想办法把这些数据给挑出来。说到研究时最困难的地方,常进认为,就是在本底越来越低的时候,如何再把这些数据找出来。

  他让探月器极具“中国特色”

  常进同时还从事了多项科研任务,其中最著名的就是,他所在的研究团队研制的月球探测伽玛射线谱仪在绕月飞行的“嫦娥一号”卫星上成功开机。探测器可以绘制各元素的全月球分布图,为月球的开发利用提供科学支撑。常进就是伽玛射线谱仪分系统主任设计师,在他们的努力下,南京造探月器极具“中国特色”。“我们的γ射线谱仪跟当年美国月球勘探者(1998)比较,探测有效面积要大许多。跟日本月亮女神的γ射线谱仪相比较,它们的能量分辨比我们高很多,但探测器体积较小,有效面积只有我们的1/10,因此在几个兆电子伏以上的高能波段探测方面我们稍占优势。两个仪器的侧重点不同,月亮女神主要研究月球是否有水,我国的则主要研究全月面元素分布。”

  年轻的学科带头人

  常进是紫金山天文台空间天文实验室主任,空间天文学科年轻的学科带头人。他在空间探测方面的成就也得到国际同行的认可,他应邀参加多项国际重大空间探测项目,负责物理设计,特别是他发展一套方法来观测高能电子和伽玛射线,大大减少了仪器重量,该方法将被应用到日本国际空间站上面,受到国际同行的高度评价。此外,他在天体物理研究方面也展现出难得的研究天赋,成功地解释了银河弥漫伽玛射线GeV超的问题,该结果获得国际同行认可。

紫金山天文台宇宙高能电子观测新发现在学界引起热议
    11月20日出版的《自然》杂志,除刊登紫金山天文台与国外同行合作的宇宙高能电子观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》外,同时以罕见的3篇文章从不同角度介绍该发现。该发现可能是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。
    第一篇以介绍第一作者的形式(First Author),访问了该文第一作者紫金山天文台常进研究员。
    第二篇以新闻形式“electron bump may confirm dark matter”,报道了该文的主要结果,并采访了国际知名科学家。美国费米国家实验室Dan Hooper博士,Hooper认为ATIC的结果可以有多种解释,其中“暗物质湮灭绝对是最夺人心魄”(That is certainly the sexiest of the possibilities,)。该结果同时暗示宇宙存在额外维,那将“令人欣喜若狂” (It is wild) 。意大利罗马大学的物理教授Aldo Morselli,认为,尽管脉冲星可以加速电子到很高的能量,但ATIC的能谱形状很难用脉冲星来解释。
    第三篇是评论“A message from the dark side”,从粒子物理和天文学的角度讨论了该发现对目前暗物质研究的意义。Nature 邀请了美国科学院 Youself M. Butt博士对该结果进行了专评。Butt 认为ATIC结果暗示的暗物质质量与WMAP测量结果几乎一致,但问题是普通的暗物质分布模型无法解释如此高的流量,太阳系附近可能存在一个大的暗物质团。另外Butt也认为目前的观测还无法排斥“特殊天体”源,如脉冲星,微脉冲星,黑洞等。
    21日出版的美国《科学》以“Excess Particles From Space May Hint at Dark Matter”为题,对该结果进行报道,并邀请多位专家进行评论。法国原子能研究院Marco Cirelli教授认为,ATIC数据和Pamela数据完全吻合,Pamela只看到开始升起,而ATIC看到了整个形状,同时看到了下降。如瑞典斯德歌尔摩大学暗物质模型专家,Larr Bergstrom认为, ATIC看到的下降,更像暗物质湮灭。
    英国《物理世界》采访了多位专家。美国宾夕法尼亚州大学的Stephane Coutu教授认为,ATIC结果和Pamela结果完全吻合,两个探测器都指出了在100-800GeV之间存在还不被人了解的“物理”。发现暗物质湮灭令人激动,但还需要很长的时间去证明。加利福尼亚大学Piero Madau教授认为,发现暗物质在太阳系附近湮灭令人激动,但还要等待其他实验证实。
    美国《今日物理》(Physics Today)将ATIC观测数据与Pamela做了比较。《今日物理》认为,费米望远镜可能的发现,有可能对暗物质研究帮助很大。从多个探测器的观测情况看,暗物质问题在不短的将来可能得到解决。
    此外,新华社,路透社,新科学家,美国宇航局(NASA)网站、美国国家地理杂志,福布斯财经频道等新闻媒体均在第一时间报道了该重大发现。
    综合以上各种评论,学界认为在宇宙电子3000-8000亿电子伏特能量区间新发现的“超”可能是暗物质湮灭,但还需要进一步观测。从目前暗物质的探测趋势来看,有两个探测内容显得意义重大。
    1、宇宙电子在300-800GeV处的流量变化。如果是暗物质湮灭,流量会有一个急剧的变化,这是区分“暗物质”和“天体源”的一个重要判据。ATIC尽管在800GeV处发现流量“下降”,但由于事例数还很少,目前下结论还为时过早。如果能够高能量分辨探测300-800GeV处的高能电子能谱变化情况,对研究暗物质粒子物理性质意义重大。
    2、高能电子在300-800GeV处的方向性。由于目前的暗物质模型还无法解释ATIC和Pamela看到的“高”流量。如果能够高空间分辨探测300-800GeV处的高能电子方向变化情况,对宇宙暗物质分布,及物理性质意义重大。
    要探测以上两个重要物理量,必须要利用空间平台,原因之一是800GeV处的电子探测很容易被大气电子污染,原因之二是只有长时间观测才能将这个问题弄清楚。

紫台空间高能电子观测取得重大突破

不明来历高能电子可能是暗物质粒子湮灭证据

 

新华社南京11月20日电(记者蔡玉高)利用美国南极长周期气球项目(ATIC),经过10年观测研究,中科院紫金山天文台研究人员与外国同行合作发现高能电子流量在3000-8000亿电子伏特能量区间,远远超出目前宇宙高能电子理论预计,而这些不明来历的高能电子可能是暗物质粒子湮灭的证据。

20日出版的《Nature》杂志发表了紫金山天文台研究员常进与美国、俄罗斯、德国等国科学家在高能电子观测方面取得的重大研究成果——《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》(An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800GeV)。如果这一成果被进一步证实,这可能会是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据,将是现代物理学的重大突破。

论文第一作者、紫金山天文台常进研究员介绍,最新的天文观测表明,宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量,其中普通物质仅占5%左右,而暗物质则占了大约25%。尽管从上世纪30年代开始,天文大尺度观测实验多次间接验证了暗物质的存在,但物理上直接的观测证据到现在还没有找到,人类直到现在还没有弄清楚暗物质的物理本质。暗物质研究是目前的科学前沿。

美国的ATICAdvanced Thin Ionization Calorimeter:先进薄电离量能器)项目科学目标是在空间观测高能宇宙线。1998年常进提出可对其探测设备进行一定程度的改进,该探测器将可以同时观测高能电子和伽玛射线。经过2年的研究,2000年,重达2吨的ATIC探测器在南极升空观测,这是世界上首次对高能电子进行高分辨观测。

常进介绍,以往学界普遍认为高能电子来源于超新星遗迹,并建立了太阳系高能电子流量模型。但ATIC第一次观测结果表明,高能电子流量在3000-8000亿电子伏特能量区间远远超出了模型预计流量。这就意味着宇宙高能电子还有别的“起源”。

为了进一步证实研究结果,此后的7年间,常进与他的合作者在不断改进设备和观测方法的基础上,又在南极进行了3次观测(其中1次因气球漏气失败),结果均与第一次观测结果吻合。尤其是去年底到今年初的成功观测让研究人员对自己的观测结果确信无疑。

这些“超出”的高能电子究竟来源于何处?常进表示,这有多种可能,但其能谱流量与目前暗物质理论预言的粒子模型吻合,所得到的低能参数也与欧洲与俄罗斯耗费数亿美元研制的、专门用于寻找暗物质粒子湮灭证据的磁谱仪探测器PAMELA所得到的结果吻合。这就表明这些不明来源的高能电子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。

“当然这些还待进一步观测研究”常进说,一旦被证实的话,那就意味人类首次发现了暗物质存在的形式,这将是现代天体物理学的重大突破,意义不言而喻。

常进表示,当然目前高能电子的观测精度还可以进一步提高,并不排除这些不明来历的高能电子来自于太阳系附近的“特殊天体”。即使这样,这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子,对解决宇宙线起源这一重大课题意义显著。

据了解,目前,常进等人的研究成果已经在国际学界引起了震动。以严谨著称的《Nature》经过多轮的考察,接受了常进的论文,并以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访,刊登在同期刊物上。(完)

 

 

(新华社特稿·特别关注)

人类将可能首次发现暗物质粒子湮灭证据——

紫金山天文台空间高能电子观测取得重大突破

 

  新华社记者蔡玉高

 

  新华社南京11月20日专电 题:人类可能将首次发现暗物质粒子湮灭证据——紫金山天文台空间高能电子观测取得重大突破

  

  20日出版的《Nature》杂志发表了我国天文学家、中科院紫金山天文台研究员常进与国外同行合作的研究成果《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》(An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800GeV)。该成果可能是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据。

 

  (小标题)“世纪之谜”待解

 

  在现代天文学界和物理学界,有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解,它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题,这便是暗物质,暗物质的本质到现在还不清楚。

  1937年,天文学家弗里兹·扎维奇发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,

然而星系的运行速度却远远超出万有引力公式计算出的结果,这也就是说,除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还有其它引力的存在。这表明,在人类已知的宇宙物质之外,还有一种物质存在。

  此后70多年的研究、分析均表明,这一至今未被人们观测到的物质即“暗物质”肯定在宇宙中存在,而且其在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质。分析证实了这一点。

  紫台空间天文实验室主任常进介绍,最新天文观测表明,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙的25%,暗能量占70%,而我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。宇宙“暗”的一面,主宰了整个宇宙。

  常进表示,尽管多年来的天文大尺度观测结果间接验证了暗物质的存在,但物理上直接的观测证据到现在还没有找到。也就是说,直到目前为止人类还不知道暗物质究竟以怎样的形式存在,它们或许是以粒子的形式存在,或许又以别的人类未知的形式存在……

  暗物质粒子探测意义重大,目前已成为国际上空间探测的热点。欧洲与俄罗斯耗费数亿美元,联合研制了磁谱仪探测器PAMELA。该探测器希望通过观测正电子寻找暗物质粒子湮灭的证据。

  “一旦发现其存在的形式,那将是现代物理学的重大突破,人类的天文、物理教科书也将随之改变。”常进说。

  

  

  (小标题)十年“磨剑”发现不明来源高能电子

 

  国际上高分辨观测宇宙高能电子能谱一直是空白,常用的空间磁谱仪方法技术复杂,价格昂贵。紫金山天文台空间天文试验室一直在探索寻求一种简单有效的观测高能电子的方法。

  美国南极长周期气球项目“ATIC Advanced Thin Ionization Calorimeter:先进薄电离量能器)项目本来的主要科学目标是观测高能宇宙线,电子和伽玛射线不在其列。1998年,常进与 ATIC”接触,提出用ATIC的设备观测高能电子和伽玛射线。经过多次沟通,常进的建议被ATIC接受。

  2000年底至2001年初,经过改造后的ATIC观测设备在南极升空观测高能电子。常进介绍,首次观测非常成功,他们获得了大量高能电子的数据。但经过计算和研究后发现,他们所观测到的高能电子的流量与目前学界已掌握的情况有较大差异。

  据了解,以往学界普遍认为太阳系附近的高能电子主要来源于超新星遗迹,并建立了太阳系高能电子流量模型。可他们获得的高能电子的流量却远远超出了模型预计的流量。这意味着高能电子还存在别的“起源”。

  不明来源的高能电子究竟来自于何处?常进告诉记者,这有很多种可能,不过经过分析后,他们发现观测结果与目前暗物质理论模型相吻合。这就表明这些不明来源的高能粒子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。这样的研究结果让研究团组非常激动,但课题组认为还需要对这一结果进行多次观测验证。

  此后的7年中,常进与合作者又在南极进行了3次观测(其中1次因气球漏气失败)。这样,加上此前的观测,他们共观测到了3000多万个宇宙线粒子,经过层层筛选,他们找到了210个高能电子。在翔实的数据面前,研究人员在说服自己的同时,也得到了业内人士的认可。

  今年5月,常进与合作者将他们的研究论文向《Nature》投稿。以严谨著称的《Nature》经过多轮的考察,接受了常进的论文,并以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访,刊登在同期刊物上。

 

  (小标题)研究成果引起震动,或将发现暗物质粒子湮灭证据

 

  记者了解到,在论文发表前,常进的研究成果已经在国外科学界引起了震动。而随着《Nature》相关文章和评论的刊出,这一成果将引起越来越多人的关注。

  瑞典斯德哥尔摩大学教授、暗物质理论专家Lars Bergstrom在接受《Science》记者采访时表示,ATIC数据与Pamela在不久前公布数据吻合很好,从ATIC测量结果看,目前的探测结果更像暗物质粒子湮灭。

  英国爱丁堡大学教授泰勒则表示,即使最后证明该超不是暗物质产生的,ATIC观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义重大。

  “当然这些还待进一步观测研究去检验,”常进说,一旦被证实的话,那就意味人类首次发现了暗物质存在的形式,这将是现代天体物理学的重大突破,意义不言而喻。

  常进表示,当然目前高能电子的观测精度还可以进一步提高,并不排除这些不明来历的高能电子来自于太阳系附近的特殊天体。即使这样,这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子。

  常进告诉记者,他们的研究也只是刚刚开始,要想得出最终的结论还有很长的路要走。今后,他与研究团队将进一步提高观测设备的精度,以期得出更加翔实的数据,找到更为充分的证据。(新华社专稿)

 

紫金山天文台发现暗物质粒子湮灭的可能证据

日期:2008-11-21 作者:许琦敏 来源:文汇报

    本报讯  (记者许琦敏)暗物质到底是什么?这种已经被证明主宰着宇宙,却又看不见摸不着的神秘物质,终于在中、美、俄、德等7个研究单位的20多位科学家十年坚持不懈的努力下,露出了冰山一角:利用美国南极长周期气球项目(ATIC),科学家合作发现了一些不明来历的高能电子——它们可能是暗物质粒子湮灭的证据。如果这一成果被进一步证实,这可能会是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据,将是现代物理学的重大突破!
    
    昨天出版的国际顶级学术期刊《自然》杂志发表了论文《宇宙电子在3000亿-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》,并配发了对第一作者中科院紫金山天文台研究员常进的专访。美国《科学》也将对该成果进行重点介绍。
    
    所谓“超”,就是“超出”预计数量的高能电子。观测宇宙高能电子是件非常困难的事情,因为它比宇宙线本底流量还要弱100-1000倍,要“看”到如此微弱的粒子流,需要借助昂贵的空间磁谱仪。
    
    恰好美国科学家发起了ATIC项目,在南极上空放飞气球,捕捉宇宙空间的高能粒子。从1998年,常进就开始与ATIC合作,他与外国同行在对100亿-2万亿eV(电子伏特)能量区间接收到的宇宙高能粒子进行了多年观测后发现,宇宙高能电子流量在3000亿-8000亿电子伏特能量区间远超过预计流量。
    
    “普通的宇宙线‘源’产生不了那么多的高能电子,那么超出的那部分来自于哪儿?”常进告诉记者,这个发现让大家激动不已,“因为暗物质在湮灭之前是‘不可见’的,只有湮灭时才能观测到它。而且我们观测到的高能电子能谱‘形状’与暗物质粒子湮灭非常相似。”
    
    以往研究表明,暗物质占宇宙的25%,暗能量占70%,而我们通常“可见”物质只占5%——可以说“暗”的一面主宰着宇宙,但人类迄今尚未找到直接证据。国际同行普遍认为,该观测如被证实,将是人类第一次发现暗物质粒子湮灭的证据,同时在天文观测中开启了一个新的“窗口”。
    
    当然,目前电子的观测精度还不够高,“我们还不能完全排除‘超’可能来自近地的其他‘特殊天体’。”常进说,他们正期待着更先进的观测仪器升空,进一步确定“超”的来源。即便如此,这也是人类第一次直接探测到来自于“特殊天体”的高能粒子。英国爱丁堡大学泰勒教授认为,这一观测对解决宇宙线起源这一未解之谜意义也十分重大。

 

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