外太空來信「拉索」收到

南方都市報 發佈 2023-06-05T20:28:13.818654+00:00

2023年4月22日,四川省甘孜州稻城縣海子山,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)。 IC供圖2023年4月22日,四川省甘孜州稻城縣海子山高海拔宇宙線觀測站(LHAASO),廣角切倫科夫望遠鏡陣列旁正在建設的觀測設備。

2023年4月22日,四川省甘孜州稻城縣海子山,高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)。 IC供圖

2023年4月22日,四川省甘孜州稻城縣海子山高海拔宇宙線觀測站(LHAASO),廣角切倫科夫望遠鏡陣列旁正在建設的觀測設備。 IC供圖

高原的夜晚格外迷人,人類裸眼可見的星星幾乎鋪滿了整片夜空。在這裡,人類和宇宙的距離縮短了一點點,離宇宙的奧秘也近了一步,高原空氣稀薄,傳遞宇宙大事件的「信使」——時刻造訪地球的宇宙線更容易被捕捉到。

「信使」來訪的過程像一場極其短暫的、看不見的粒子「陣雨」:宇宙線粒子進入大氣層,「擊中」大氣中的原子核,產生上百萬個次級粒子,瞬間降落在地面上,持續時間通常只有幾納秒。

為了收集「宇宙線雨」,探究宇宙起源、天體演化,中國科學院高能物理研究所(以下簡稱「中科院高能所」)在四川稻城平均海拔4410米的海子山上,修建了大型高海拔宇宙線觀測站:LHAASO(Large High Altitude Air Shower Observatory),譯為「拉索」,在藏語裡的含義是「好」,表示歡呼。

5月10日,拉索項目通過國家驗收,成為目前國際粒子天體物理三大實驗設施之一,對促進該領域實現重大原創突破、帶動前沿交叉相關學科發展和國際合作具有重要意義。

截至目前,基於LHAASO項目發表的期刊論文累計約215篇,已有兩項重要成果分別登上《自然》《科學》世界頂尖雜誌。

構造

拉索麵積接近兩個故宮,可全方位、多變量測量伽馬射線和宇宙線

「拉索」占地面積約2040畝,面積接近兩個故宮。由地面簇射粒子探測器陣列(包含5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器)、水切倫科夫探測器陣列(面積約78000平方米)和廣角切倫科夫望遠鏡陣列(18台)組成,採用四種探測技術,可全方位、多變量測量來自高能天體的伽馬射線和宇宙線。

地面簇射粒子探測器陣列

主要探測能量稍高的宇宙線

僅從外觀上看,它是由1188個「土包」組成的圓形陣列。再仔細一看,「土包」們都扎著用來固沙的紅頭繩。這是繆子探測器,外表「土氣」的它們平均每個造價10萬元。

拉索項目副經理、中科院高能所研究員何會海介紹,這種探測器的目標是繆子,這是一種處於中間狀態的粒子,穿透能力很強。有科普作家把繆子比為電子的「胖哥哥」,除了比電子重很多以外,其他性質與電子幾乎完全一致。「當你走在拉索,每秒大概有100多個繆子穿透你的身體。不用擔心,理論上來說,對你的身體不會造成影響」,他說。

之所以做成土包的形狀,何會海表示,這是為了用土層吸收、屏蔽掉電磁成分,防止它們對探測產生干擾。

土堆下是一個直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體,罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋。繆子穿越土層,進入下面罐體的水中時,產生切倫科夫光,水袋頂部中心的形似「電燈泡」的光電倍增管將接收的光信號放大,再轉化為電信號進行測量。

何會海介紹,經過密封處理,純水可以維持20年不變質,「過20年後拿出來還能喝,甚至比瓶裝礦泉水還要乾淨。」

分布在繆子探測器周圍、由綠色防水布包裹的長方體是電磁粒子探測器,共有5216個,二者互相配合,主要用於探測能量稍高的宇宙線。

水切倫科夫探測器陣列

專門用來探測能量較低的宇宙線

位於拉索正中心的,是一個深4.5米、占地78000平方米的純淨水水池,相當於2.5個北京「水立方」,它完全密封,水底布置國產巨型光電倍增管。這是水切倫科夫探測器陣列,專門用來探測能量較低的宇宙線。這裡的水溫常年保持在3℃以上,維修時工作人員不僅要忍受寒冷,也要時刻保持警惕以免掉下去。

廣角切倫科夫望遠鏡陣列

高精度測量宇宙線能譜

除此之外,還有18台斜沖向天空的,由藍色貨櫃改裝的廣角切倫科夫望遠鏡陣列,對宇宙線能譜進行高精度測量。該陣列創新採用新型矽光電管,克服望遠鏡月夜無法工作的難題,有效觀測時間延長1倍。

建設

走過5個高海拔區才選定這裡

我國從20世紀50年代初期就開始了宇宙線探索。學成歸國的第一代宇宙線研究人員於1954年在海拔3180米的雲南落雪山建立國內第一個高山宇宙實驗室。1987年,在中科院高能所研究員譚有恆等人的推動下,我國第一代伽馬天文探測器「羊八井國際宇宙線觀測站」在海拔4300米的西藏羊八井建成。

作為譚有恆的學生,曹臻成為觀測站的第一位值班人員,也接下建設新一代宇宙線觀測站的接力棒。2009年,曹臻代表團隊正式提出了拉索計劃。他們走過西藏、青海、雲南、四川省內的5個高海拔地區,最終在2014年選中四川甘孜州稻城的海子山。

2017年6月,拉索開始動工,許多羊八井觀測站的「老員工」參與了新一代宇宙線觀測站的建設。工作人員住在海拔3750米的稻城縣城裡,每天早上8:30乘車去往海子山,中午會有人把盒飯送到山上,當天下午5點左右乘車返回。少數值班的人會留在山上過夜,有人說夜裡偶爾會聽見狼叫。

何會海說,高原反應是他們面臨的第一道關卡,建築團隊上山後,三天之內能留下來的大概只有50%。科研團隊中,沒有人因為高反離開。何會海表示,很多人一年裡在高原上待的時間甚至超過300天,只有在冬天的一兩個月不在高原。何會海和部分工作人員,因長期暴露在強烈的紫外線下,膚色黝黑,臉頰有些許泛紅。建成後,在拉索的工作人員一個非常重要的工作是巡邏,看看土包的運行情況,檢查插頭、螺絲等。何會海形容這份工作類似鐵路上的巡道工,工作內容無聊且耗費體力,全部巡邏一遍需要2-3個月的時間。除了中科院高能所的工作人員,現場還有藏族的兄弟姐妹參與運維工作,目前在崗的將近20人。

成果

取得多項世界之最,將成以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心

拉索取得了許多項世界之「最」:世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡,以及能量覆蓋範圍最寬的超高能宇宙線複合式立體測量系統。

2017年夏天,拉索破土動工。按照曹臻和團隊計劃,「拉索」一邊建設一邊運行,2020年1月,拉索建成一半陣列時,已經投入運行的設備就接收到令人激動的觀測結果。拉索記錄到最高1.4PeV的伽馬光子,相當於醫學診斷用的X射線能量(約1萬電子伏特)的1000億倍,是目前為止觀測到的最高能量光子。科研人員發現,銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1拍電子伏特的超高能宇宙線加速器,年輕的大質量星團、超新星遺蹟、脈衝星風雲等是超高能宇宙線起源的最佳候選天體。同年5月17日,這一成果發表於《自然》雜誌,被評價為「真正的突破」和「新時代的開始」。

2020年7月9日,科研人員利用「拉索」精確測量到高能天文學標準燭光——蟹狀星雲的亮度,在更廣的能量範圍內為超高能伽馬光源測定了新標準,這一成果發表在《科學》雜誌上。

目前,拉索收集到的海量數據,從海子山實時傳輸到位於北京石景山的中科院高能所,由科研人員對數據進行分析處理。何會海表示,得益於通訊技術的發展,可以通過遠程傳輸數據,極大地提高了數據的時效性和科研效率。

曹臻認為,拉索在處理數據方面提供了一種範例,但隨著計算機技術的發展,相信未來可以做到數據就地處理。據了解,拉索麵向國內外全面開放共享,目前,已有28個天體物理研究機構成為LHAASO的國際合作組成員單位。截至目前,基於「拉索」項目發表的期刊論文超過200篇,會議論文超過150篇。LHAASO將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心,藉助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優勢,成為獨具特色、綜合開放的科學研究平台。

揭秘

為什麼要觀測宇宙線?中國為什麼要建拉索?

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子,主要由氫核、氦核、鐵核等多種元素的原子核組成,並包括少量正負電子,是人類目前能從宇宙深處獲得的唯一物質樣本,被稱為傳遞宇宙大事件的「信使」。

「研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。」「拉索」首席科學家、中科院高能物理所研究員曹臻介紹,宇宙線被發現110多年以來,相關探索研究已產生數枚諾貝爾獎牌,但依然有眾多謎題待解,宇宙線起源被國際物理學界列為「新世紀11個科學問題」之一。

據介紹,觀測宇宙線,可以「上天」,用粒子探測衛星尋找;可以「下海」,在水底安裝中微子望遠鏡;也可以「上山」,在高海拔地區搭建觀測站。

曹臻用了一句特別質樸的話作答:中國人想要獲得宇宙解釋的話語權。

上世紀50年代,老一輩科學家在海拔3180米的雲南落雪山建造了我國第一個高山宇宙射線實驗室,以頭頂藍天、腳踏雲海、胸懷祖國、放眼世界的精神和情懷,在非常艱苦的物質條件下,仍然緊盯國際粒子物理研究前沿。

曹臻對拉索充滿信心,認為將來有望破解宇宙線起源難題。他說,中華文明是世界上最古老的文明之一,但目前的宇宙觀中,中國沒有任何貢獻,這是一件很悲哀的事情。只有做出世界一流的科研成果,才能改變這種局面。

中科院高能所副所長董宇輝對此也感觸頗深,認為「自立自強」意味著中國要在不依賴他人的情況下做成一件重要的事情,面臨「卡脖子」難題說明本領不夠。他還強調,自立自強不代表要閉關鎖國,要在整個人類的文明體系裡面留下印記,必須要跟別人合作,大家互相有貢獻才能形成命運共同體。

采寫:南都記者 郭若梅 整合來源新華社、澎湃新聞、封面新聞等

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