暗线探测仪原理

当我们抬头仰望星空，能看到繁星的点点光芒布满天穹。但在这些我们能看到的微光之外，宇宙实则是被更多的“黑暗”所填充。科学家认为，宇宙总质能的95%是由人类看不见、摸不着的暗物质和暗能量组成。它们组成的宇宙“黑暗家族”不发出任何信号、极难被探测，但却充斥在宇宙空间，成为人们最想要破解的谜团之一。当地时间7月1日，欧几里得太空望远镜在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。该望远镜将观测100亿光年范围内的数十亿个星系，创建迄今最大、最精确的宇宙“3D地图”，试图揭开困扰人类许久的暗物质和暗能量之谜。暗物质和暗能量的发现史要理解暗物质和暗能量，首先要解释清楚一个“悖论”，即暗物质、暗能量既然极难被察觉，人类最初又是如何确定它们存在的？20世纪30年代，瑞典天文学家在研究中发现，后发座星系团中星系的速度弥散度非常大，这意味着这个星系团中不同星系的运行速度有着很大的差别。对于星系团中那些运行速度极快的星系来说，仅靠星系团中发光物质的质量，不足以束缚住其如此巨大的运行速度。研究者根据位力定理计算出的星系团总质量要远大于根据发光度计算出的星系团质量。因此，天文学家大胆推测，在星系团中还存在着大量不发光、但却有质量的物质，并将其称为暗物质。如果打一个通俗的比喻，暗物质或许就像一个黑暗房间中的大象，它庞大的身躯填满了整座房间。但由于其本身并不发出任何光亮和信号，人们无从得知它的存在，而只能看见它头顶电灯发出的一点微光，并误以为那是宇宙“房间”内全部的存在。“暗物质是一种在天文观测中被发现的物质，它具有引力作用但不发光。对暗物质的粒子物理性质研究是当前粒子物理和宇宙学最重要的研究课题之一。”北京大学物理学院研究员刘佳介绍。暗物质虽然不可见，但能够被称之为“物质”，是因为其具备物质的基本特征，例如暗物质有质量、有引力，并且也有可能与其他粒子发生接触、碰撞。相较于暗物质，暗能量则更加令人捉摸不透。天文学家在20世纪末才真正认可暗能量的存在。暗能量概念的提出与宇宙加速膨胀理论密不可分。在过去很长一段时间内，天文学家普遍相信，由于天体间引力的存在，宇宙的膨胀速度在逐渐放缓。但在20世纪末，多个研究团队通过对不同距离、被称为宇宙标准烛光的Ⅰa型超新星进行观测后发现，地球与这些标准烛光的距离正在加速变远，即我们的宇宙在加速膨胀。明明引力能够拉近天体间彼此的距离，但为什么宇宙仍然在加速膨胀？天文学家据此认为，一定有尚未被发现的力量在对抗着引力，推动宇宙加速膨胀，暗能量的概念便由此而生。利用“引力透镜”探测暗物质虽然看不见，但暗物质、暗能量并非无迹可寻，它们各有证明自己存在的方式。中国科学技术大学物理学院天文学系教授蔡一夫告诉科技日报记者，引力透镜效应是证实暗物质存在的最常用的方法之一。其基本原理是，基于广义相对论，光线会因为大质量天体的引力而产生弯曲，类似于透镜对于光线的作用。而如果在地球和极其遥远的发光天体之间存在一些引力源，这些引力源的引力场便会像透镜一样，使经过其身边的光线发生变化。暗物质同样具有引力，因此其也会对光线产生引力透镜效应，从而有机会被我们探测到。“通过引力透镜效应来勾勒暗物质的分布是目前最主要的探测手段之一。”蔡一夫说道。相较于暗物质，暗能量的探测则更为困难。由于至今仍无法确定暗能量的来源及特质，科学家一直无法直接探测它。蔡一夫表示，目前探测暗能量的主要方式，仍是依靠对Ⅰa型超新星的标准烛光测距来实现。宇宙的膨胀会拉伸我们与标准烛光的距离，我们收到的标准烛光的光线会因此产生红移效应。通过对大量标准烛光红移数据的收集、分析，天文学家将有机会探究宇宙膨胀的历史，揭示暗能量的本质。虽然对于暗能量的研究至今仍无定论，但关于暗能量来源的讨论一直是天文学界的热门话题。有许多科学家认为，黑洞或许就是暗能量的来源。不久前，一个国际科研团队对星系中央黑洞开展观测，结果表明黑洞可能是暗能量的来源。在这项最新研究中，科学家比较了拥有中心黑洞的遥远星系和本地椭圆星系的观测结果，发现星系中央黑洞的质量比90亿年前增长了7—20倍，如此快速的质量增长无法用吸积和合并来解释，因此研究者大胆引入暗能量来解释这一现象。多管齐下寻找蛛丝马迹虽然困难重重，但人类在寻找暗物质、暗能量上一直没有放弃努力。在此次发射欧几里得太空望远镜前，人类已经作出诸多尝试。在暗物质探测方面，我国发射的“悟空”号暗物质粒子探测卫星是世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。其可以通过测量高能宇宙射线来发现暗物质的踪迹。通常认为，宇宙射线的源头一般是超新星爆发，但暗物质湮灭时也会产生宇宙射线。如果能够发现超新星爆发以外的宇宙射线来源，或许可以间接探测到暗物质。除了上天找答案，为了寻找暗物质，人们还深入地下数千米。暗物质不可见，但它会和其他物质发生碰撞。因此，当暗物质和普通物质的原子核发生碰撞后，普通物质的原子核会动起来，产生微弱信号，科学家能够通过检测这种信号来探测暗物质的存在。但这种方法需要苛刻的实验环境。由于信号实在太过微弱，为了把宇宙射线本底屏蔽掉，营造出极纯净的实验环境，其必须在地下深处进行，且深度越深，宇宙射线本底越低。我国便在四川锦屏山地下约2400米建设了地下实验室，其重要目标之一便是寻找暗物质。此外，刘佳也表示，通过可见物质寻找暗物质也是当今粒子物理的前沿热点问题。例如，暗光子便是理论学家构建的沟通可见物质世界和暗物质世界的媒介粒子之一。不久前，刘佳参与的研究团队发现，地球附近的超轻暗光子暗物质能够诱导射电望远镜反射板上电子的振荡，产生可观测的射电信号，另外偶极射电望远镜能够直接与这种暗物质产生射电信号。基于这种现象，研究团队提出了一种利用射电望远镜直接探测地球附近暗光子暗物质的新方法。而在暗能量探测领域，不久前中国科学院国家天文台参与的暗能量光谱巡天国际合作项目（DESI）向全球发布了首批科学数据，包括了120万个河外星系、类星体及50万颗银河系恒星的光谱。该项目计划在5年内获取超4000万个星系的光谱数据，旨在构造出三维宇宙空间的物质分布，揭示暗能量的本质以及宇宙膨胀历史。相比于此前探测暗物质、暗能量的仪器，欧几里得太空望远镜的优势是大而精。其观测范围足够宽广，能够覆盖超过三分之一的天空，并可以对其中10亿个星系分门别类绘制宇宙图谱。“欧几里得太空望远镜的突破在于其所获得的高清超大面积巡天数据，可以提高引力透镜，特别是弱引力透镜测量精度，使其统计误差显著降低。”蔡一夫介绍。通过对数十亿星系的精确观测，欧几里得太空望远镜将创建包含星系形状、位置和运动状况等信息在内的，迄今最大、最精确的宇宙“3D地图”，帮助天文学家推断宇宙暗能量和暗物质的属性，进一步加深对宇宙本质的了解。

说到生命探测仪，就不得不说地震，这个沉重的话题虽然好像离我们十分遥远，但是每年都有来自世界各地的新闻，几乎任何一个时间，都有地方发生地震。过去13年的汶川地震，在大家的印象中已经慢慢淡去，但对于经历过灾难的人来说，是一辈子难以磨灭的印记。而面对这种巨大的自然灾难，生命探测仪就发挥了强大的作用，可以救人于危难中。生命探测仪是一种安全救生装备，它是美国的物理学家大卫席思研发的，对于灾难中的搜救做出了卓越的贡献。其实生命探测仪是一个统称，具体根据探测范围和手法的不同，还可以分为红外探测、雷达探测、光学探测、声波振动探测和其他先进类探测。很不幸的是几乎每一种我们都听说过，尤其是雷达探测和红外探测。红外生命探测，需要被探测的物体体温在绝对零度以上，那么什么是绝对零度呢？和我们知道的0℃不同，绝对零度象征着极度的寒冷，换算下来大概相当于-273.15℃。也就是红外探测在我们日常的温度下都可以探测到生命。并且能够不畏条件的恶劣，不受干扰。雷达探测仪就又先进很多，相比于红外探测仪只能感受体温，雷达探测仪可以通过监测人体生命活动所引起的各种微动，从微动中得到心跳、呼吸等信息，再利用电磁波反射原理进行探测。不仅不受温湿度控制，噪音和地形也同样奈何不了它，稳定性好、准确率高。如果可以，没有人愿意认识这些探测仪，可灾难是无法避免的，我们现代的先进科学仪器，就是为了在自然灾难面前可以做到先知先觉和挽救更多生命。是我们的自救工具，相信在不久的将来，我们对于这类重大灾难，一定可以做到准确的预测和躲避。

越来越多的雾霾天，真让南京的天空越来越暗，城市视野也越来越模糊。 　　雾霾对出行及公众的身体健康都是极大的损害，雾霾来临时，我们如何监测?雾霾来临前，能不能提前预警? 　　南京信息工程大学大气物理学院的本科生王成芳近期研发出了雾霾天气的智能探测仪，它不仅能准确&ldquo 读&rdquo 出雾霾天南京人的&ldquo 视力&rdquo 情况，而且还能够分辨出一场雾霾天来临时，能见度的极速下降，究竟有多少是雾粒子在起作用，有多少是霾粒子在起作用。这为大范围实时监测雾霾天气提供了可行性。 　　雾霾监测预报有难度 　　在气象预报领域，雾霾提前预报一直是个难点，气象专家介绍说，雾霾在气象学上区别很大，虽然它们都会造成低能见度的状态，但是实际上除了湿度条件以外，雾霾的构成是非常复杂的，比如，由于气溶胶污染物浓度较高会造成霾，而它的成分是非常复杂的，在我们头顶的天空中，气溶胶的主要化学成分包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑炭、重金属，还有一些其他元素。同时，数值预报需要考虑的条件和因素也很多，包括能见度等的监测、预报难度比较大。 　　南京信息工程大学的专家告诉记者，其实能见度监测仪的研究也是近些年才开始应用的，以前在中国雾霾的能见度监测，其实靠的都不是仪器，靠的都是气象预报员的双眼和经验，他们一般来说都把气象台远处的一些标志性的建筑或山体作为标的物，靠雾霾天气中能看到远处的什么景象来大致&ldquo 估摸&rdquo 出能见度的情况，因此还是存在一些人工误差的，而且也没有办法大范围、全覆盖地探测一个区域的能见度。 　　两只红外眼睛测出能见度 　　经过几年的研制，王成芳自主研发能见度探测仪成功。记者看到，能见度探仪器有一只相对而视的&ldquo 眼睛&rdquo ，王成芳告诉记者，这两只眼睛都安装有&ldquo 红外线&rdquo 装置，它们共同捕捉两个红外线&ldquo 眼睛&rdquo 之间的团空气，然后利用红外装置&ldquo 透视&rdquo 其中的污染物粒子的粒径大小，成分，而对于空气中的污染物粒子的消光系数进行精确测量，从而能够精确推算出我们肉眼能够看到的精确的能见度。 　　王成芳说，这个能见度探测仪的一个好处是，不仅能够取代人眼直接探测灰暗的天空究竟能看多远，更重要的是，它能够分清南京模模糊糊的天空究竟是由什么样的颗粒物在起决定性作用。 　　记者了解到，目前研发出来的能见度实时监控装备，在终端可以实时显示能见度信息与能见度-时间曲线，这将为气象专家提供清晰具体的预报信息。