于高山之巔 探宇宙之源 環球訊息

高海拔宇宙線觀測站通過國家驗收，為目前世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的伽馬射線探測裝置

于高山之巔 探宇宙之源

(資料圖)

在高海拔宇宙線觀測站測控基地展示的自主研發的光電倍增管。

俯瞰高海拔宇宙線觀測站（無人機全景照片）。

工作人員在高海拔宇宙線觀測站觀測基地處理實驗數據。以上圖片均為新華社記者金立旺攝

5月10日，國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）順利通過國家驗收。

驗收委員會認為，項目法人單位中國科學院成都分院和共建單位中國科學院高能物理研究所按期、全面、優質完成了國家發展改革委批復的建設任務，各項指標達到或優于批復的驗收指標。驗收委員會同意該項目通過國家驗收。

“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山上，占地面積約1.36平方公里，是目前世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的伽馬射線探測裝置，將致力于探索宇宙線起源。

瞄準宇宙線來源這一重大科學難題

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由質子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子以及中微子，時刻存在于我們的星球之上。

“拉索”項目首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻說：“宇宙線又被稱作‘銀河隕石’或傳遞宇宙大事件的‘信使’。它們本身就是組成宇宙天體的物質成分，并攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息。因此，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。”

1912年，奧地利科學家赫斯首次發現宇宙線，但100多年來，人類卻始終沒有發現宇宙線的起源。“宇宙線來自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直困擾著科學家。”曹臻說。

宇宙線來自哪里，為何這么難以判斷？

一方面，捕捉高能宇宙線極其不易。高能宇宙線的能量跨度從10億到1萬億億電子伏特，能量高的宇宙線應該來自劇烈的天體活動所伴隨的粒子加速過程。但是，宇宙線能量越高，就越稀少。

“這是因為高能粒子的數量隨著能量的上升急劇下降，粒子能量每上升10倍，粒子數量就會下降1000倍，所以最終能到達地球的高能宇宙線粒子少之又少。”中國科學院高能物理研究所研究員何會海說。

另一方面，要根據獲得的宇宙線粒子樣本確定它們來自何方，更是難上加難。

曹臻說：“宇宙線多為帶電粒子，在傳播過程中會被宇宙中無處不在的星際磁場偏轉，等到達地球時早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。”

“超新星爆發、黑洞爆發、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來源。到底誰才是真正的來源，還需要繼續尋找證據。我們的高海拔宇宙線觀測站正是瞄準這一重大科學難題而提出的。”曹臻說。

實現多項重大自主技術創新

因為宇宙線能量越高就越稀少，所以越大規模的探測器才有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。

高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質、在地面進行觀測的手段，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線觀測，這是唯一手段。

“拉索”就是中國的第三代高山宇宙線實驗室，由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠鏡等三大陣列組成。

“宇宙線中的伽馬射線是高能光子，它進入地球大氣后會與大氣中的原子核發生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面，如同下‘陣雨’一般。”曹臻說，“‘拉索’的這3個不同類型的探測器就分別對這些紛紛落下的粒子‘雨滴’進行探測，搜集它們的信息后再倒推回去，研究導致這些次級粒子產生的超高能粒子的性質。”

在超過4000米的高海拔地區，要將裝置靈敏度提升30倍，“拉索”工程難度可想而知。然而，“拉索”團隊并未因此退縮，他們迎難而上，克服重重困難，最終如期完成任務，并在建設過程中實現了多項重大自主技術創新。

比如，“拉索”的時間分配系統實現了世界上最高水平的同步精度，達到亞納秒級別。

“‘拉索’測量粒子‘陣雨’落下來的方向、落在不同地方的‘雨滴’時間，來重建整場‘陣雨’。‘雨滴’飛落的速度是光速，到達不同探測器的時間差也就是10納秒量級。”曹臻說。

“小白兔”原本是加速器中的授時技術，當時的對時精度只有1納秒。基于“小白兔”技術，清華大學團隊與高能物理所聯手，通過技術改進，使近萬個探測器節點之間的時間偏差小于0.3納秒。

何會海說：“項目團隊還在海量數據獲取技術上取得顯著進步，發展并實現了‘無觸發’數據獲取，對宇宙線事例實現‘零死時間’觀測，實現海量數據從海子山觀測基地到高能物理所的實時數據傳輸。”

此外，“拉索”研制出了新一代硅光電倍增管相機，突破了傳統設備無法在月夜進行觀測的局限，使18臺廣角切倫科夫望遠鏡的觀測時間得到成倍提高。

過去，20英寸光電倍增管的技術被國外壟斷。這次，“拉索”團隊攜手國內高科技企業，成功制造出高時間性能的同類產品，而且良品率非常高——生產了2200多個，次品僅55個。這一突破，迫使國外企業大幅降價，甚至上門求購。

建設成為綜合開放的科研平臺

2017年，“拉索”主體工程動工。為克服環境對工程的影響、充分利用觀測資源，項目團隊決定邊建設邊運行。曹臻說：“第一年我們先建1/4，運行半年再建1/4，湊成1/2，再運行半年。”

令人意想不到的是，2020年，僅建成1/2規模的“拉索”就迎來了第一個重大科學發現。“拉索”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到1.4拍（拍=千萬億）電子伏的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子。這一成果于2021年5月17日發表在《自然》雜志上。

“這個發現突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟了‘超高能伽馬天文學’的時代。”曹臻說。

此后兩年間，成果接踵而來。

科研人員利用“拉索”精確測量了高能天文學標準燭光——蟹狀星云的亮度，為超高能伽馬光源測定了新標準。這次觀測還記錄到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子，由此確定星云核心區內存在能力超強的電子加速器，加速能量直逼經典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。相關成果于2021年7月9日在《科學》雜志發表。

隨后，2022年10月9日21時17分，“拉索”、“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴（編號GRB 221009A），這是我國首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測。

“拉索”項目建設單位依托設施開展觀測與理論研究，并面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“拉索”的國際合作組成員單位。“合作組利用‘拉索’觀測數據開展粒子天體物理研究，同時進行宇宙學、天文學、粒子物理學等眾多領域基礎研究。”曹臻說。

通過國家驗收后，“拉索”將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心，借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優勢，成為獨具特色、綜合開放的科學研究平臺。

此外，曹臻表示，“拉索”團隊計劃在已有的4種探測器陣列之外，再新增一個由32臺望遠鏡組成的新陣列（LACT）。“這個陣列建好后，‘拉索’相當于又增加了一雙‘火眼金睛’，將具有超高能宇宙線發射位置的識別能力，有望進一步逼近最終的答案。”（記者 吳月輝）

標簽：