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紫台通讯2008年11月
2008年11月01日

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

2008年11月20日,《Nature》上发表紫金山天文台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”》(An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV)。该工作是紫金山天文台空间天文实验室与国外同行十年艰苦工作的总结。

暗物质的存在已经有很强的证据,但暗物质究竟是什么,直到目前还不清楚,暗物质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(ATIC,先进薄电离量能器)观测高能电子。研究发现:电子能谱在3000-8000亿电子伏特能量区间,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(粒子质量6200亿电子伏特)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(论文中Author Contribution所述)。

该项研究成果引起科学界广泛关注。据悉,《Nature》为了宣传该论文的科学意义,对第一作者——紫金山天文台研究员常进进行了专访,并配以照片,刊登在同期刊物上。 《Nature》还在同期“News & View”栏目进行了专门报道。《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。

瑞典斯德哥尔摩大学,暗物质理论专家Lars Bergstrom教授,对《Science》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(尽管目前已知天体的X-Ray 和伽玛射线观测,排除了这种可能)。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《New Scientist》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。”

工作背景:

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,测试结果表明我们的探测方法完全可行。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。(空间天文研究部)

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。(空间天文研究部)

Dome A 太赫兹科学讨论会在南京举行

2008年11月1日—3日, Dome A 太赫兹科学讨论会在南京举行。该讨论会由中科院国家天文台天体物理发展战略专家委员会、中国南极天文中心、中国科学院射电天文重点实验室、紫金山天文台“宇宙中的恒星形成”国际合作团队联合组织。组织委员会成员包括:叶叔华 (主席), 崔向群, 冯珑珑, 胡景耀, 苏定强, 王力帆 (共同主席), 杨戟, 张其洲(共同主席)。

讨论会邀请了来自美国哈佛-史密松天体物理中心和史密松天文台、美国加州理工学院、美国亚利桑那大学、荷兰代尔夫特科技大学、日本NICT情报通信研究机构、南京大学、中国科技大学、天津师范大学、上海师范大学、国家天文台、云南天文台、南京天文光学研究所等机构的诸多学者。叶叔华院士、陈建生院士以及诺贝尔奖获得者罗伯特?威尔逊教授等著名天文物理学家亦应邀到会。

南极冰盖最高点冰穹A(Dome A)的海拔高度为4093 米。我国天文学家首次参加南极科考(2007/2008年),并随内陆队成功登上冰穹A,在冰穹A上安装了一系列天文台址监测和观测设备。目前,已经获得的数据表明冰穹A可能是地球上开展亚毫米波观测的最佳台址。该结果激发了国内外天文学家利用该站点发展未来天文观测的强烈兴趣。本次南京科学讨论会,将进一步明确在南极Dome A开展亚毫米/THz波段天文观测的关键科学机遇,探索Dome A的科学潜力,讨论结果有助于该台址未来的观测设备规划。

Dome A科学讨论会主题包括: Dome A 的台址考察报告,Dome A THz 天文的科学案例,ALMA和JWST时代的高红移星系,望远镜和仪器。相关学者所作的报告有:当前状态和未来发展(冯珑珑,紫台),Pre-Heat测得的Dome A的亚毫米不透明度: 最新结果 (Craig Kulesa, 亚利桑那大学天文系),台址测试: FTS (Scott Paine,史密松天文台;史生才,紫台) ,Dome A THz 天文和路线图(杨戟,紫台),大型THz望远镜的科学以及用来研究恒星形成 (张其洲, 哈佛-史密松天体物理中心) ,星系中的恒星形成定律(高煜,紫台),近邻星系 (王仲,哈佛-史密松天体物理中心) ,恒星形成和星系演化(黄家声,哈佛-史密松天体物理中心;严琳, 加州理工学院Spitzer科学中心),Dome A 的光学/中红外/亚毫米波望远镜 (崔向群,天光所),康奈尔-加州理工阿塔卡玛望远镜 (CCAT) (Jonas Zmuidzinas, 加州理工学院物理实验室),Dome A 望远镜的THz技术 (史生才;Edward Tong, 哈佛-史密松天体物理中心),Dome A 的THz天文: 望远镜和大型阵列 (Chris Walker, 亚利桑那大学天文系),用于直接探测的超导振荡器(Teun Klapwijk,荷兰代尔夫特科技大学) 。

11月2日下午,在会议交流讨论中,代表们围绕下一阶段的南极Dome A站址考察——科学需求和仪器,第一代望远镜——THz 望远镜、接收机和探测器,Dome A国际合作等议题进行了热烈讨论。

11月3日,参加会议的部分中外学者在参观了紫金山天文台毫米波和亚毫米波实验室和南京天文光学技术研究所。(射电天文研究部)

项目“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”

2008年年会在南京召开

2008年11月20日至23日,项目“日地空间灾害性天气的发生、发展和预报研究”2008年年会在南京召开,来自中科院紫金山天文台、国家天文台、空间科学与应用研究中心、地质与地球物理研究所、以及南京大学、北京大学、中国科技大学、山东大学、国家气象局空间天气监测预警中心、国家海洋局极地研究所等单位60多位项目组成员和有关专家参加了会议。国家科技部基础研究管理中心、国家基金委、以及项目依托单位的有关领导应邀出席了会议。

这次年会共交流了54篇研究报告,内容涵盖空间灾害性天气的太阳磁活动因素研究、空间灾害性天气的耀斑因素研究、空间灾害性天气的日冕物质抛射因素研究、空间灾害性天气的日冕/行星际传输研究、空间灾害性天气的磁层物理研究、空间灾害性天气的电离层和中高层大气研究、以及空间灾害性天气的预报理论、方法和应用研究等7个方面。

近年来,尤其是国家载人航天工程的实施,对空间灾害性天气预报提出了新的需求。该项目瞄准国家重大战略需求,将影响空间天气的各个环节—太阳、行星际空间、磁层、电离层、中高层大气等耦合起来进行研究,在加强基础研究的同时,将研究成果及时转化为预报服务,取得可喜的成绩。

会议期间,还利用晚上时间召开了3场太阳物理有关会议和4场专题讨论会。大家一致反映,这是一次高效的学术交流会议,达到了项目汇报、学术交流、促进合作的目的。(空间天文研究部)

紫金山天文台证实来自月球背面的罕见陨石样品

近期,紫金山天文台“月球与行星科学研究中心”的研究人员与美国和德国科学家合作,对新近在沙漠中收集到的一块月球陨石(SaU 300)进行了全面的矿物岩石学、稀土元素地球化学、和全岩化学成分的分析研究工作,发现这块陨石完全不含有月球正面的岩石特征,而且贫乏钍等微量元素,确凿地证明了这块陨石来自月球的背面。相关研究成果发表在即将出版的2008年第8期《陨石与行星科学》杂志。

这项研究工作获得了大量的有关月球背面的化学成分和矿物岩石学数据,加深了我们对月球整体的认识,对研究月球全球化学和岩石分布特征和月壳演化历史有重要作用,对深入了解月球的起源和演化提供了宝贵的第一手材料,也为月球空间遥感探测工作提供了地面实验科学依据。

能获得来自月球背面的岩石样品一直是科学家们长期的夙愿。上世纪七十年代,美国阿波罗登月计划和前苏联探月计划从月球上回收采集了380多公斤的岩石样品,使人们对月球的认识产生了革命性的变化。但由于技术上的限制,这些样品岵裳阒饕性谠虑虺虻厍蛞幻娴某嗟栏浇=昀吹囊8刑讲夤ぷ鞣⑾郑虑虮砻娴奈镏史植技还嬖颍嫦虻厍虻囊幻娓惶皖实任⒘吭兀诚虻厍虻囊幻嬖蚱短邦省T卵已返牟杉梦挥谠虑蛘娴牡厍蚧б斐G虼耍杉难凡痪哂写硇裕荒苋娣从吃虑虻娜蚧С煞趾涂笪镒楹戏植继卣鳌?

近年来各国探险家和科考队员在热带沙漠和南极地区发现了多块来自月球的陨石。它们是小行星撞击月球表面而溅出的岩石样品,因为撞击事件是个随机过程,可以发生在月球的正面和背面,因而对月球陨石的研究有很大的机会能发现来自背面的岩石样品。最近有少数国外学者报道发现了来自月球背面的陨石样品,但随后的争议很大,能被最终确认的却少之又少。

月球陨石的研究工作对我国目前正在实施的探月工程有着重要的指导意义,它可以为探月计划的科学目标和任务目标的实施,月球探测器的着陆地点的选择,月球探测器的科学载荷,以及月球表面采样计划提供宝贵的科学依据。(天体物理研究部)

诺贝尔奖获得者贾科尼教授访问紫金山天文台

2008年10月22—23日,美国约翰霍普金斯大学教授、2002年诺贝尔物理学奖获得者里卡尔多?贾科尼( Riccardo Giacconi)应邀来紫金山天文台访问。

访问期间,贾科尼教授为紫台科研人员和研究生们作近1个小时的“近代望远镜的发展与天文学飞跃”的学术报告,与我台相关科研团组的首席研究员和科研人员座谈交流,对紫台的空间天文和太赫兹领域的发展方向作了咨询。此外,贾科尼教授还饶有兴趣地参观了我台毫米波和亚毫米波实验室、空间天文实验室以及紫金山上的古代天文仪器。我台党委书记鲁春林、副台长甘为群、台长助理杨戟等陪同贾科尼教授在我台参观访问,并向贾科尼教授简要介绍了我台的发展概况。

里卡尔多?贾科尼(Riccardo Giacconi)简介:1931年10月6日生于意大利热那亚。意大利裔美国天文学家,因在X射线天文学方面的先驱性贡献而获得2002年的诺贝尔物理学奖。1962年,贾科尼等人领导了利用火箭探测宇宙中的X射线辐射的计划,在世界上首次发现了宇宙X射线源——天蝎座X-1,这一发现被认为是X射线天文学的开端。其后,贾科尼领导了美国“探险者42号”、“爱因斯坦”等X射线天文卫星的重大项目。

贾科尼于1973年被聘为哈佛大学教授。在那里,他和他的团队发展了周密的管理方法,让X射线天文台能为全世界天文学家生产标准的数据产品。1981年到1993年,贾科尼担任空间望远镜研究所首任所长,把用于爱因斯坦卫星的方法用来为哈勃空间望远镜制定运行计划、数据归算和文档系统。1990年,他成为欧州南方天文台(ESO)总台长,领导了构成甚大望远镜(VLT)的4台8米光学望远镜的成功建立。1999年,他回到美国任联合大学公司主席,负责建立预期于2010年完成的阿塔卡马大毫米波阵(ALMA)。(综合办公室)

紫金山天文台举行领导班子换届考核大会

2008年11月10日,紫金山天文台领导班子换届考核大会在本部大楼举行。中科院党组成员、副秘书长何岩,人事教育局局长李和风,监察审计局副局长李晓光、基础局副局长刘鸣华、离退休干部局原局长吴保祖等院领导,中科院南京分院院长周健民、党组书记张兴中、副院长李世杰等分院领导和有关部门负责人,以及江苏省委组织部负责人等,共同组成考核组,对紫金山天文台领导班子进行任期届满考核。紫金山天文台副处长及以上管理干部、副研究员及以上科研人员、党委委员、纪委委员、党支部书记、职代会常委、青年科技骨干代表、民主党派代表、离退休职工代表等参加换届会议。

张兴中书记主持会议。按照议程,紫台党委书记、副台长鲁春林首先代表台领导班子对2004年-2008年工作述职。南京分院财务审计处副处长吴素华公布了紫台领导班子经济责任审计结果公告。中科院何岩副秘书长和李晓光副局长在考核大会上讲话,强调紫台领导班子建设、制度建设和管理、人才建设和培养、创新文化建设等重要性,对紫台发展提出殷切希望。

会后,考核组与紫台部分职工代表进行个别谈话,听取对紫台发展状况和领导班子的意见。(综合办公室)

附:Nature 对紫金山天文台常进研究员专访原文

(Vol 456 | Issue no. 7130 | 20 November 2008 AUTHORS)

Galactic cosmic rays — high-energy charged particles that result from hugely energetic processes — are one of the few ways to directly measure matter from outside the Solar System. In 2000, Jin Chang, now an astrophysicist at the Purple Mountain Observatory in Nanjing, China, and a group of international colleagues first detected an excess of high-energy cosmic-ray electrons using the Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC). The instrument was sent on helium balloons to measure the composition and energy spectra of cosmic rays 35 kilometres above Antarctica. Potential sources of such high-energy electrons could be a pulsar, a supernova or an intermediate-mass black hole. But the existing data don’t confirm or refute any of these. In fact, Chang tells Nature, this could be the first indirect evidence of dark matter, the theoretical matter thought to make up as much as 85% of matter in the Universe (see page 362).

Why did it take so long to publish this work?

During an ATIC flight in 2000–01, we were surprised to find an excess of high-energy (~300–800 gigaelectronvolt) electrons — observations that had to be verified to be believed. But balloon observations are very difficult to make. In fact, balloons we deployed with improved instrumentation to reduce background noise during the third flight malfunctioned. We had to wait another two years to try again. In the end, the second and fourth flights — as well as measurements from Japan’s Polar Patrol Balloon — successfully verified the pattern of high-energy electrons.

Of all the possible sources, which do you think is most likely?

Our data suggest that the source could be an unknown nearby astrophysical object capable of accelerating electrons to this energy level — such as a pulsar, a rapidly spinning star that produces regular pulses of radiation, or a supernova, the explosive death of a massive star. But they also don’t discount that the electrons could be produced by the annihilation of dark-matter particles. We have a long way to go to definitively determine the source.

Do you think that we will understand dark matter within the next decade?

I hope so. The ATIC team plans to build a new instrument to study this source further. We are also waiting for new results from several space-based instruments. The Large Hadron Collider, the new particle accelerator at CERN near Geneva, Switzerland, may also contribute by creating and detecting predicted dark-matter particles.

地址:(210034)南京市栖霞区元化路8号(南大科学园内) 电话:86-25-83332000 传真:86-25-83332091
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