宇宙重子缺失之谜

  • 校友会志愿者 黄荐 刘晋国
  • 日期:2021-09-09
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        7月22日下午,第十四期“李政道讲座”第七讲,由清华大学崔伟教授讲解宇宙重子缺失之谜。国科大物理学院副院长郑阳恒教授主持讲座,并对崔伟教授的科研经历作了简要介绍。崔伟教授,1987年毕业于中国科技大学,同年通过李政道先生主导的 CUSPEA 项目赴美深造。1994年,获威斯康星大学麦迪逊分校物理系博士学位。毕业后就职于麻省理工学院空间研究中心,2000年,入职普渡大学物理系(现物理与天文系)。2011年被聘为中国科学院粒子天体物理重点实验室和高能物理研究所粒子天体物理中心的首席科学家,2018年全职回国,任清华大学天文系教授。

       崔老师首先讲到今年是李政道先生的95华诞,在全国正在组织很多的庆祝活动。因为很多人受益于李先生对科学与教育的奉献,包括CUSPEA学员。当年没有出国深造途径,也没有托福、GRE的情况下,李政道先生亲自为CUSPEA项目联系学校、写推荐信,投入了很多时间和精力,正是李先生的无私付出才换来了一届又一届学员的出国深造的机会。让崔老师感动不已的是李先生在生活上也给学员无微不至的关心,在李先生亲手制作的春节贺卡上有这么一句话,“谁知蛋鸡哪先生,愿代代有继人”。这正是李先生力推CUSPEA项目以促进我国物理科学发展的初衷,也饱含了对物理科学传承和发展的殷切期望。

李政道先生制作的贺卡

       本次讲座崔老师将结合自己的科研经历,讲述如何聚焦一件事,如何在非常困难的情况下通过合理规划来一步步实现梦想。崔老师以自己喜欢的一幅画讲起,从而探讨研究天体物理的意义。他认为天体物理的意义在于探究“宇宙从哪里来?”、“宇宙是什么?”和“宇宙到哪里去?”。汉字博大精深,“宇”是空间,“宙”是时间,“宇宙”两个字便时空,这正是爱因斯坦相对论在讨论的时空。对于宇宙从哪里来这个问题,“大爆炸”理论最为出名,因为该理论的三大预言得到了观测的证实。其中,预言一:宇宙在膨胀,这已被哈勃望远镜观测证实;剩下的两预言分别是宇宙中重子物质总量和微波辐射背景。大爆炸在最初始的3分钟内,完成了宇宙重子的合成。而目前宇宙中的重子物质之和仅占5%,剩下95%被称为暗物质和暗能量。宇宙形成大约40万年左右,随着温度下降,质子捕获电子开始形成中性原子。在此之前,发出的光被电子束缚,不能够传播太远。直到光子被最后一层电子散射,宇宙出现了“第一束光”,这便是宇宙的微波背景辐射。这代表我们在电磁波波段能够看到宇宙最早的时候。宇宙经过1亿多年演化后形成了第一代恒星,经过10亿年形成星系,而在星系逐渐演化的过程中有个很大的迷,就是今天要讲到的重子物质“消失”之谜。

        在宇宙层面,我们只能看到大致一半的重子物质,另一半去哪儿了?而在星系层面,物质中重子占的比例比宇宙整体平均值小得多,对于系统质量越小的星系,重子物质的比例越低,所以在星系形成时,重子会逃逸?宇宙中重元素缺失?目前的假设:缺失的重子隐藏在低密度的热气体中?比如宇宙大尺度的纤维结构可以解释宇宙重子缺失问题;星系若存在周围的热晕,可以解释星系重子缺失的问题;星系热晕或星系间热气体中若含有足量的重元素,可以解释宇宙重元素缺失的问题。目前的理论研究表明,宇宙在形成过程中,气体被激波加热到上百万摄氏度的高温,辐射的波段是不可见的X光,这个波段很容易在传播中被吸收,而且辐射信号弱,很难被观测。而缺失的重子便隐藏在这些高温气体中。这些从数值模拟得到理论是否正确,需要实验观测来证实。从科学需求的角度出发,为了获取高能量分辨和高灵敏度的热重子的辐射能量谱和图像,需要研制新型X射线高分辨率成像光谱仪。面对这个难题,是选择放弃,还是啃这块硬骨头呢?应该如何逐步拆解问题,克服困难,达成研究目标呢?

        接下来崔教授从科研目标到需求,以及实现方法详细介绍科研的过程。首先,为什么需要高分辨率光谱观测?主要是为排除前景的干扰,如银河系的热气体辐射、太阳风的电荷转移辐射。解决方案是采用窄波段成像的方式来提高信噪比,选择足够的分辨率来保证谱线探精度测及成像能力。获得光谱数据后,采用等离子体诊断技术,通过光谱分析,可以获得气体的温度、密度与化学丰度;通过图像获取热气体的空间分布。但是目前的光栅技术,由于探测效率低和不能对扩展辐射源成像等原因,无法满足科学需求。相应的解决方案是研制非色散的成像光谱仪。总结起来的关键技术有:高能量分辨率、多像素的X射线成像光谱仪和X射线望远镜。新型的X射线成像光谱仪需要能够接受X射线的元件,并且用高灵敏的温度传感器来测量一个光子的引发的温度涨落,这又需要极低温的制冷机;而且保证两个光子间的测量不相互影响,还需要运用复用信号读出低温电子学。最终采用了半导体微量能器作为传感器,并且考虑了制冷系统在实验室,在天上,都能够正常运行。卫星的成本很贵,则采用了探空火箭将传感器发送至高空,打开探测窗口采集数据后,再回收数据的可行方案。在威斯康星大学的这次探空实验,不仅从技术上验证了实验的可行性,而且获得了至今为止唯一的银河系内高分辨率的热气体辐射谱。

        此后日本进行了三次基于卫星平台的实验都失败了,其中第三次卫星解体前探测器通过半透明的观测窗获得了一点非常漂亮数据,引起了不小的轰动。日本正在筹备2023年的第四次探测计划。目前随着技术进步,超导探测器正在研制,还未在天上得到验证。欧空局计划2032年发射Athena卫星,而我国正在筹备宇宙热重子探寻计划(HUBS)。崔教授从分辨率、视场以及综合指标,对比我国、日本及欧空局等设计方案,强调了没有十全十美的方案,而要根据我们的研究目标来制定相应的科学可行的方案,一定要有科学目标,再来做设计和优化,要在关注的一个点上做到极致。这也有利于开展国际合作,不需要都做同一件事情,而是在不同层面开展合作。

崔伟教授

        最后崔教授关于研究天体物理的意义总结了三点。一是,作为基础研究可以推动尖端技术研发,如新探测器的研发、X射线望远镜的研发。二是,相应技术成熟后又能够推动其他基础研究,新技术带来的新观测能力,开辟新发现空间。最后,新技术还能够应用在更多的领域,如HUBS的关键技术在同步辐射、材料、医疗、国防等许多重要领域有广泛的应用。讲座最后,崔老师耐心解答了同学们的提问,深入探讨了黑洞、原子物理、光子探测叠加识别等问题。