在中國,在世界屋脊青藏高原,有一群正在追宇宙線的人。
5月10日,經(jīng)過8年預(yù)研、4年建設(shè),高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)“拉索”迎來關(guān)鍵節(jié)點,順利通過國家驗收,正式投入運行。它是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強的伽馬射線探測裝置。
“拉索”占地約1.36平方公里。這個巨大陣列的中心位置,是由按“品”字排列的三個大水池組成的水切倫科夫探測器陣列,面積約78000平方米;周圍則緊密排列著5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器;此外還有由18臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的望遠鏡陣列。
“拉索”鳥瞰圖。(中科院高能物理所供圖)
“拉索”上山,向天接射線
觀測宇宙線,可以“上天”,用粒子探測衛(wèi)星尋找;可以“下?!保谒装惭b中微子望遠鏡;也可以“上山”,在高海拔地區(qū)搭建觀測站。
“在高海拔地區(qū)進行地面觀測,探測器規(guī)??蛇h大于大氣層外的天基探測器。尤其在超高能量宇宙線觀測方面,由于樣本數(shù)量稀少,采用大規(guī)模探測器是唯一觀測手段?!薄袄鳌笔紫茖W(xué)家、中科院高能物理所研究員曹臻說。
“‘拉索’的任務(wù)是接住從外太空‘灑’向地球的宇宙射線,讓科學(xué)家借此發(fā)現(xiàn)宇宙深處的未知世界,破解宇宙射線起源的謎題。”曹臻介紹。
為何選址四川稻城海子山
選址至關(guān)重要。要脫離大氣層的束縛,就要在海拔4000—5000米的位置找一塊足夠大的平地,且落差不超過50米,要有公路、機場和醫(yī)療機構(gòu),要有光纖和充足的供電。所有條件綜合下來,找到一個“最大公約數(shù)”并不容易。
“交通便利,距最近的國道僅百米之遙,距稻城亞丁機場10公里。光纖網(wǎng)距站址200米,確保了海量數(shù)據(jù)的收集和傳輸。地勢平坦,最大落差處僅30米,便于探測器陣列的布局與安裝。還有著豐富的優(yōu)質(zhì)水源?!?/p>
天時地利人和,拉索選址稻城。
廣角切倫科夫望遠鏡陣列。(中科院高能物理所供圖)
觀測性能創(chuàng)三項“世界之最”
宇宙線粒子進入大氣層后,會和大氣中的原子核發(fā)生相互作用,產(chǎn)生許多次級粒子,次級粒子則繼續(xù)重復(fù)同樣的過程,產(chǎn)生新的次級粒子,如此多次重復(fù),到達地面時就像下了一場粒子“陣雨”。
“拉索”總工藝師、中科院高能物理所研究員何會海說,“拉索”采用四種探測技術(shù),可全方位接收粒子“陣雨”的信息,并開展多變量精確測量。
其中,水切倫科夫探測器陣列用于觀測粒子“陣雨”中的次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光,以求發(fā)現(xiàn)大量伽馬射線源;廣角切倫科夫望遠鏡陣列用于測量粒子“陣雨”的切倫科夫光或熒光;電磁粒子探測器陣列和繆子探測器陣列則分別測量粒子“陣雨”中的次級電磁粒子和繆子含量。
何會海介紹,“拉索”項目團隊突破了廣角切倫科夫望遠鏡不能在月夜工作的瓶頸,使有效觀測時間成倍增長;發(fā)展了大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術(shù);把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,大大擴展了觀測能力。
工作人員在水切倫科夫探測器陣列水池里更換實驗設(shè)備(4月21日攝)。新華社記者 金立旺 攝
戳視頻↓看拉索背后的故事
國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站“拉索”(LHAASO)是什么原因選定了227國道邊的稻城?又如何做到控制成本、在建設(shè)時把“價格打下來”的?來聽聽LHAASO首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻和參與建設(shè)的科研人員的介紹。
視頻由中科院之聲提供
試運行期間已獲得多項成果
2017年,拉索主體工程動工。為克服環(huán)境對工程的影響、充分利用觀測資源,曹臻等人提出了“邊建設(shè),邊運行”的思路。
“第一年,我們先建1/4,運行半年,然后再建1/4,湊成1/2,再運行半年?!弊尣苷橐庀氩坏降氖牵?020年,僅建成1/2規(guī)模的拉索,用不到一年的觀測數(shù)據(jù)就取得了斐然的成果:通過探測落在地球上的伽馬光子,拉索發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬射線源,這一成果于2021年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。
一個多月后的7月9日,《科學(xué)》雜志上出現(xiàn)了來自拉索的另一項研究成果:科研人員利用拉索,精確測量了高能天文學(xué)標準燭光——蟹狀星云的亮度,在更廣的能量范圍內(nèi)為超高能伽馬光源測定了新標準,并由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi),存在能力超強的粒子加速器,直逼經(jīng)典電動力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。
捷報頻傳。2022年10月9日21點17分(北京時間),拉索、“慧眼”衛(wèi)星(Insight-HXMT)和“極目”空間望遠鏡(GECAM-C)同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴(編號GRB 221009A),這是我國首次實現(xiàn)對伽馬射線暴的天地多手段聯(lián)合觀測。
“拉索”上方的星空。(中科院高能物理所供圖)
“中國造”大裝置 南半球建更大“拉索”
拉索團隊計劃在已有的4種探測器陣列之外,將再新增一個由32臺望遠鏡組成的新陣列(LACT)。
在依托拉索開展宇宙線研究的同時,中國第四代、第五代宇宙線研究者將走向世界,參與南天大視場伽馬射線天文臺(SWGO)的醞釀工作。三個月前,來自10余個國家超過80個研究單位組成的龐大研究組,已經(jīng)在雄心勃勃地計劃,未來幾年內(nèi)將在南半球建設(shè)一個大視場伽馬射線望遠鏡。
曹臻透露,目前南半球項目正處于選址考察階段,“項目建成后,可以與位于北半球的拉索項目南北合作,進行包含銀心區(qū)域的近乎全天區(qū)的巡天掃描和時域天文研究?!?/p>
相關(guān)鏈接:
什么是宇宙線
——以光速行進,每秒鐘都在穿越我們的身體。
宇宙線像“信使”,攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動等重要科學(xué)信息,從外太空來到地球。拉索的任務(wù)就是接住它們,把收集到的信息傳遞給科學(xué)家,解開宇宙起源、天體演化的秘密。
什么是切倫科夫效應(yīng)?
——以發(fā)現(xiàn)人、蘇聯(lián)物理學(xué)家切倫科夫命名。宇宙線的帶電粒子能量比較高,如果它們的速度超過介質(zhì)中的光速,會發(fā)生切倫科夫效應(yīng),即沿著粒子前進方向會產(chǎn)生一個光錐,類似于飛機超音速時發(fā)生的“音爆”現(xiàn)象。這一過程可在空氣或水中發(fā)生,空氣中發(fā)生的是大氣切倫科夫光,水中產(chǎn)生的是水切倫科夫光。
繆子是什么?
——繆子是自然界的基本粒子之一,具有極強的穿透能力,由卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)。他在研究宇宙線時發(fā)現(xiàn),這種粒子在穿過磁場時彎曲的形態(tài)與已知粒子不同,它的彎曲度比電子小,卻比質(zhì)子大。
“甚高能”和“超高能”是什么意思?
——甚高能一般指1000億電子伏特-100萬億電子伏特。超高能一般指100萬億電子伏特以上。