天文宇宙科学家将引力波探测器技术运用到了新型暗物质探寻上

　　研究：若Lyra概念任务能在2028年前发射，那么可在26年内追上＂奥陌陌＂ 詹姆斯·韦伯太空望远镜进入自我冷却阶段 调试工作即将开始 NASA/USGS Landsat 9卫星现已投入使用 成像表现优秀 科学硬件安装和调试工作拉开了国际空间站本周的序幕 科学家将引力波探测器技术运用到了新型暗物质的探寻上
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　　研究：若Lyra概念任务能在2028年前发射，那么可在26年内追上＂奥陌陌＂
　　2017年10月，星际天体奥陌陌(Oumuamua)穿过了我们的太阳系并留下了很多问题。它不仅是有史以来第一个被观测到的同类天体，而且当它射出太阳系时天文学家获得的有限数据让他们都感到挠头。
　　即使在今天，在这个星际来客飞越近五年之后，科学家们仍无法确定它的真实性质和来源。最后，从奥陌陌那里得到一些真正答案的唯一方法就是追上它。
　　有趣的是，现在有许多关于任务的建议可以做到这一点。Lyra项目是Initiative for Interstellar Studies(i4is)的一项提议，它将依靠先进的推进器技术与星际天体(ISO)会合并对其进行研究。根据他们的最新研究，如果他们的任务概念在2028年发射并执行复杂的Jupiter Oberth Manoeuvre(JOM)，那么它将能在26年内追上奥陌陌。
　　2017年10月30日，在探测到奥陌陌后不到两周，i4is启动了Lyra项目。这项概念研究的目的是确定使用当前或近期技术跟奥陌陌交会的任务是否可行。此后，i4is团队进行了研究，他们考虑使用核热推进器(NTP)和激光帆船追赶ISO，类似于＂突破之星＂--一个在20年内到达半人马座阿尔法星的星际任务概念。
　　据了解，以前提出的利用近期技术到达奥陌陌的大多数方法都要求采用太阳奥伯斯机动法(SOM)。一个完美的例子就是Sunper，这是由马克斯-普朗克天文研究所的研究员Coryn Bailer-Jones提出的建议。这个概念依靠太阳的辐射压力来获得一个非常高的速度，其带有轻盈的帆。
　　SOM和其他Oberth机动的核心是一种被称为＂重力辅助＂的技术，自20世纪70年代初以来，它一直被用于探索太阳系。这种技术包括利用三个物体的引力，包括航天器、提供＂辅助＂的第二个天体（通常是一个大行星）和控制航天器路径的中心天体。
　　I4is研究员Adam Hibberd是这项最新Lyra研究的论文第一作者。在加入i4is之前，Hibberd是一名航天工程师，开发了最佳行星际轨迹软件(OITS)。当探测到奥陌陌时，他决定使用OITS，把这个ISO作为预定的目的地。在知道Lyra计划后，他很快就加入了他们和他们的研究工作。
　　Hibberd通过电子邮件向Universe Today解释称，SOM依靠三个不连续的速度变化（又称脉冲）来离开太阳系。这些包括：
　　在地球，增加航天器跟太阳的最远距离（远日点）；
　　在远日点，放慢速度并落在太阳附近；
　　在离太阳最近的地方（近日点），当航天器以最快速度飞行时获得额外的推动力。
　　然而这个理论设置没有考虑到木星。为了寻找SOM的替代方案，Hibbert和他的同事考虑使用一条经过时间考验的路线，从而将木星强大的引力纳入其中。他们这样做的部分动机是太阳引力辅助机动的内在挑战。虽然这种操纵在纸面上看起来很好，但它以前从未被执行过，因此技术准备水平(TRL)等级较低。
　　更重要的是，当航天器在第三步达到近日点时会有多少加热发生的问题。这些问题在NASA最近的一项题为《Interstellar Probe: Humanity＂s Journey to Interstellar Space》的太阳和空间物理概念研究中得到了解决。
　　跟早期的任务不同，在早期任务中需要为给定的太阳距离设计防护罩，而星际探测器的挑战是看一个航天器能够现实地接近太阳。随着太阳距离的减少，本影角增大，相对于航天器而言，防护罩的尺寸也会大大增加。
　　由于概念设计工作不可能包括完整设计的所有材料设计、制造和测试限制，所以允许的太阳距离的最终建议是根据设计似乎从非常困难到不可能的地方提出的。
　　正如帕克太阳探测器充分表明的那样，接近太阳需要一个能处理极端高温和辐射的热屏蔽。就帕克而言，该防护罩的直径约为2.44米，重量约为72.5公斤。虽然Lyra的隔热罩的尺寸和质量不会完全相同，但可以肯定的是，太阳能隔热罩会给光帆带来大量的额外质量。
　　作为一个替代方案，Hibberd和他的团队建议采用木星奥伯斯机动(JOM)，它将从地球发射，然后围绕金星和地球摆动并进行深空机动再次从地球旁边摆动，随后利用木星的引力接受重力辅助。
　　Hibberd和他的团队确定的另一个优势是航天器的到达速度，它将比依靠SOM的航天器慢得多--18公里/秒 vs. 30公里/秒。这将使航天器在接近和离开时有更多的时间来分析奥陌陌。基于2028年的发射窗口，他们确定Lyra计划的航天器将能在2054年之前追上奥陌陌。
　　鉴于奥陌陌是我们可以接触到的最接近的星际物质，会合任务的科学回报将是不可估量的。以交会任务相对较低的成本，人类可以在本世纪中叶首次瞥见其他恒星系统中的情况。更重要的是，这将是一个最终解决奥陌陌多年前对地球进行历史性飞越时提出的许多问题的机会。
　　所以它会是一座氮气冰山吗？它是外星人吗？或者是否还是其他什么东西？如果我们出对了牌，那么到本世纪中叶我们将可能知道答案。
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　　詹姆斯·韦伯太空望远镜进入自我冷却阶段 调试工作即将开始
　　在 詹姆斯·韦伯太空望远镜于1月24日抵达拉格朗日2号（L2）附近的轨道目的地后，任务运行团队开始通过一系列关键步骤开展工作： 打开所有科学仪器的电源，关闭加热器以开始一个漫长的冷却过程，并最终在韦伯的主摄像头上捕捉到第一批光子，以便对望远镜进行为期数月的校准。
　　虽然MIRI仪器和一些仪器组件在韦伯12月25日发射后的几周内被打开了电源，但团队直到过去几天才完成打开其余三个仪器--NIRCam、NIRSpec和FGS/NIRISS。
　　任务运行团队的下一个主要步骤是关闭仪器的加热器。这些加热器在路途中是必要的，主要用来保持关键光学器件的温度，防止水汽和冰凝结的风险。随着仪器达到预定的整体温度标准，团队正在关闭这些加热器，以使仪器重新开始长达数月的冷却到最终温度的过程。
　　当NIRCam达到120开尔文（约为-244华氏度，或-153摄氏度）时，韦伯的光学团队将准备开始细致地移动18个主镜片，以形成一个单一的镜子表面。该小组已经选择了HD 84406作为其第一个探测目标开始这一过程。当光子击中仪器的通电探测器时，它将成为NIRCam＂看到＂的第一个物体。这个过程会产生一个由18个随机的、模糊的光点组成的图像。在镜面对准观测目标的前几周，研究小组将保持仪器对准恒星，同时对镜子部分进行微观调整；最终，18个模糊点的集合将成为一个单一恒星的聚焦图像。望远镜和仪器的冷却也将在下个月继续进行，近红外仪器最终将达到37-39开尔文。在接下来的几个月里，低温冷却器将把MIRI冷却到6开尔文。
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　　NASA/USGS Landsat 9卫星现已投入使用 成像表现优秀
　　美国国家航空航天局（NASA）和美国地质调查局（USGS）的一项联合任务--Landsat 9，通过了发射后的评估审查，现在已经进入运行阶段。美国地质调查局计划在2月初开始向公众发布Landsat 9的数据，延续Landsat计划近50年的从轨道上对地球进行成像的记录。
　　Landsat 9卫星于2021年9月27日从加利福尼亚的范登堡空军基地发射。任务小组在航天器与火箭分离后不久就与它取得了联系，此后一直在努力测试、校准和调试这颗新卫星及其仪器。
　　美国宇航局戈达德太空飞行中心的Landsat 9项目经理Del Jenstrom说：＂来自Landsat 9的图像非常棒。我为我们的联合机构和承包商团队执行了一个非常彻底和非常成功的在轨调试活动而感到无比自豪，使这一重要任务进入运行状态。＂
　　调试活动之一是在其姐妹卫星Landsat 8下方的轨道上飞行Landsat 9，在基本相同的时间对相同的土地范围进行成像，这使得团队能够确认数据的辐射测量和几何形状与预期一致。
　　图为埃及亚历山大附近的圆形灌溉农田，在这张由Landsat 9上的新热红外传感器2号拍摄的图像中显示为蓝色。TIRS-2测量表面温度，因此在较温暖的干旱地区，凉爽的灌溉农田显得格外突出。
　　他们还通过各种方法对仪器进行了校准，包括倾斜Landsat 9的航天器对满月进行成像，这是一个稳定的光源，以确保仪器能够稳定地探测到光线。这也证实了新卫星上的热红外传感器2，或TIRS-2没有影响Landsat 8上第一版仪器的杂散光问题。NASA Landsat 9项目科学家Jeff Masek说，这将使研究人员能够采取更准确的表面温度测量。
　　Masek说，TIRS-2和Landsat 9的另一个仪器，Operational Land Imager 2，或OLI-2，都完美地按照预定表现运行。这意味着，在陆地卫星9号和陆地卫星8号都在轨道上的情况下，每八天就会有高质量、中等分辨率的图像。他说，他期待着看到人们如何利用地球景观和沿海地区的新数据。如此一来，获得这种高质量数据的频率会增加一倍，有利于雪覆盖、作物监测和水质等领域的研究。
　　美国宇航局领导了试运行活动，并将很快把两个Landsat 9仪器的操作控制权移交给美国地质调查局，后者将分发和归档这些数据。航天器本身和任务的指挥权将在5月移交给美国地质调查局，在该小组完成软件更新后，将解决小组在检查数据记录器时发现的辐射易感性问题。缓解措施被证明是成功的，而软件更新将确保这些措施以自动化的方式继续下去。
　　美国地质调查局Landsat 9项目科学家Chris Crawford博士说：＂陆地卫星9号在地球观测任务中是与众不同的，因为它带有将50年的陆地卫星观测记录延长到下一个50年的荣誉。Landsat 9增强了Landsat 1-8的空间分辨率、光谱连续性以及对反射和发射的热红外图像数据的巧合采集。Landsat 9确保了与在轨的Landsat 8合作的持续8天全球陆地和近海重访覆盖。＂
　　Landsat 9的发射由位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的美国宇航局发射服务计划管理。今年7月，Landsat计划将纪念第一颗Landsat卫星发射以来的50年。从那时起，该计划提供了对地球陆地表面的连续覆盖，使科学家和资源管理人员能够跟踪土地覆盖、土地使用和气候变化的影响，并监测自然资源。
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　　科学硬件安装和调试工作拉开了国际空间站本周的序幕
　　由七名成员组成的远征66号机组开始了1月份的最后一天工作，1月份的最后一天也是新的一周的开始，乘员们进行了各种支持生物学、物理学和地球科学研究装备的安装和调试工作，太空行走工具工作和视觉测试也在周一的日程中。
　　美国宇航局宇航员凯拉·巴伦（Kayla Barron）和托马斯·马什伯恩（Thomas Marshburn）周一开始为科学部件、飞行硬件和生命支持设备提供服务。巴伦在＂希望＂号实验舱内将一个小型卫星轨道展开器安装到一个即将被放置到太空真空中的实验平台。马什伯恩还在＂希望＂号内调节科学冰柜。巴伦后来更换了一个机器人手控器，而马什本则负责了维修供水装置的任务。
　　欧空局（European Space Agency）飞行工程师马蒂亚斯-毛雷尔（Matthias Maurer）在骑着空间站的运动自行车时，再次戴上了测量其心率和呼吸功能的代谢空间医疗监测装置。这位来自德国的宇航员还在Mochii电子扫描显微镜上工作，然后重新加载支持一系列无线仪器的固件。
　　美国宇航局飞行工程师拉贾-查里（Raja Chari）研究了手枪式握把工具，太空行走者在拆除或安装空间站外部的螺栓时会使用该工具。他还与巴伦和马什本一起参加了视力测试，使用标准的眼图检查视力。美国宇航局宇航员马克-范德黑星期一上午休息，然后在下午检查电缆连接并协助宇航员使用来自俄罗斯的硬件。
　　俄罗斯航天局的指挥官安东·什卡普勒洛夫开始了一天的工作，研究如何在行星任务中驾驶未来的航天器和机器人。然后，他与飞行工程师皮奥特·杜布罗夫一起进行技术研究，探索为地球摄影定位地标的先进方法，杜布罗夫还在支持微重力下火焰和燃料安全研究的燃烧集成架内更换了燃料容器。
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　　科学家将引力波探测器技术运用到了新型暗物质的探寻上
　　作为本世纪最大的科学突破之一，引力波探测背后的技术，现正被用于寻找难以捉摸的暗物质。 在近日发表于《自然》杂志上的一项研究中，由卡迪夫大学重力探索研究所的科学家们带领的一支团队， 详细介绍了他们如何使用汉诺威附近的德-英 GEO600 引力波探测器的数据，来寻找一种新的暗物质。
　　为 GEO600 探测器开发的新技术，亦被推广到全球其它此类系统。
　　虽未开展直接检测，但这种独特的搜索，还是建立新方法的第一步。通过排除某些与暗物质有关的理论，研究人员得以改进未来的宇宙成分观测。 据悉，暗物质被认为占宇宙所有物质的 85% 左右，但迄今从未被观察到。
　　作为现代物理学中最大的未解之谜，一些科学家怀疑这是否与引力效应相关。
　　例如大量不可见的物质可被用于解释为何星系会以这样的形式旋转，及其最初是如何形成的。
　　直到最近，人们普遍认为暗物质是由重基本粒子组成的。尽管付出了很多努力，但迄今还是一无所获。现在，科学家们正转向替代理论来解释暗物质。
　　比如最近一个理论认为，暗物质实际上是一种被称为标量场的东西，且其表现形式为在星系（包括我们所在的银河系）周围反弹的无形波。
　　（图自：马克斯普朗克引力物理研究所 / H. Lück / AEI）
　　得益于极其敏感的引力波探测器，已有多项杰出的发现得到证明。科学家们相信现有的引力波技术有真正的潜力来发现最终的暗物质、乃至找出它是由什么构成的。
　　如上图所示，该引力波天文台位于汉诺威以南 20 公里处，臂长 600 米。 GEO600 负责人、曾于 2009 - 2017 年担任首席科学家、来自卡迪夫大学重力探索研究所的 Hartmut Grote 表示：
　　我们意识到该仪器可用于寻找这种新型暗物质，尽管它们最初是为探测引力波而设计的。
　　在 GEO600 等激光干涉仪中，激光被分成了两束。通过在真空管中传播数百米、并在镜子之间反射，然后在探测器上相遇。
　　由此，科学家们可以非常准确地测量光束彼此之间的不同步程度，这本身就是光束遇到的任何干扰的代表。
　　研究配图 - 1：改进 LPSD 技术调谐 / 预期暗物质线宽 / 典型幅度谱
　　在引力波探测中，来自遥远天文事件的时空涟漪，会将激光传播的距离压缩和拉伸千分之一的质子直径。
　　而 GEO600 探测器，就被 AEI 科学家们用于寻找阿尔伯特·爱因斯坦预测的微小时空涟漪。
　　研究配图 - 2：基本标量场景中的标量场暗物质的函数约束
　　作为一款高命令度干涉仪，期间开发的大部分技术，也被用到了 LIGO 和 Virgo 引力波探测项目。
　　虽然其它探测器能够做到对引力波更加敏感，但 GEO600 的特长，就是对标量场暗物质的影响更加敏感。
　　研究配图 - 3：膨胀子/模量和弛豫光晕场景
　　同样来自卡迪夫大学的首席研究员 Sander Vermeulen 表示：＂标量场暗物质波将直接穿过地球和我们的仪器，从而引发镜子之类的物体发生如此轻微的振动＂。
　　镜子振动会以暗物质特有的方式，干扰到 GEO600 或 LIGO 探测器等仪器中的光束。这是我们应该能够探测到的东西，具体取决于暗物质的确切特性。
　　扩展数据 - 图 1：模拟暗物质信号和单色正弦波的光谱幅度和 SNR
　　尽管该团队未能在这项新研究中开展任何类型的检测，但他们表示，他们在将这项技术引入暗物质搜索方面迈出了重要的第一步，并且缩小了某些参数、以造福于未来研究。
　　Hartmut Grote 指出：
　　当一款仪器最初是为完全不同的目的而建造时，其对寻找暗物质的敏感度，着实让我们感到惊奇不已。
　　Sander Vermeulen 补充道：
　　我们已明确排除一些认为暗物质具有某些特性的理论，从而明晰了未来的探索方向，我们相信这些新技术具有在未来某个时候发现暗物质的真正潜力。
　　最后，马克斯普朗克引力物理研究所（阿尔伯特爱因斯坦研究所）所长、兼汉诺威莱布尼茨大学引力物理研究所所长的 Karsten Danzmann 总结道：
　　这项研究的最棒之处，在于再次证明了 GEO600 是一种极其实用、灵敏、且具有开创性的研究仪器。