四川海拔4410米的原始无人区 5年时间建起“天字一号宇宙驿站”|了不起的我们

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封面新闻 2022-05-27 21:53 122551

封面新闻记者 陈彦霏 受访者供图

“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之。”

千百年来,人类一直孜孜不倦地探索着宇宙,梦想有一天能读懂宇宙传递的信息,揭开宇宙诞生的奥秘。如今,屈原提出的这个终极问题,正在海拔4410米的川西高原上被慢慢探索着,从高空俯瞰,一座占地1.36平方公里、呈圆形分布的探测站正张开它的“怀抱”,来迎接更多“天外来客”。

高海拔宇宙线观测站拉索

欢迎来到拉索,这里是地球“天字一号宇宙驿站”——目前是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。作为“十二五”国家重大科技基础设施项目,自2017年破土动工后,拉索于2021年完成全阵列建设并投入运行,而它的核心目标是帮助科学家接住从外太空洒向地球的宇宙线,这些宇宙线相当于一个个“信使”,其携带的信息能帮助人们探索高能宇宙线起源、宇宙演化以及高能天体演化的奥秘。

2022年5月27日上午,四川省第十二次党代会开幕,王晓晖同志代表第十一届四川省委向大会作报告。报告指出,四川将积极争创国家实验室,高标准建设天府实验室和国家实验室四川基地,布局建设大科学装置和全国重点实验室……加强原创性、引领性科技攻关,持之以恒强化基础研究。

5年时间,如何在高海拔的原始无人区建成如此规模的大科学装置,项目背后又有我国科学家们怎样的历史积淀?封面新闻记者对话了高海拔宇宙线观测站(简称拉索)项目首席科学家、项目工程经理曹臻。

曹臻在项目现场

捕捉宇宙“信使”

从“陪跑人”到参与者

宇宙无限,信使有痕。

宇宙线是来自宇宙的高能粒子流的总称,成分包括质子和各种原子核,还有少量的光子、中微子、电子等。作为来自外太空的唯一物质样品,宇宙线很可能携带着关于重大天体演化:例如宇宙深处爆炸突变、中子星碰撞以及宇宙早期活动等信息。

来自宇宙空间的高能射线不断降落在地球,原初宇宙线粒子在穿过地球的“保护膜”大气层时,与大气原子核碰撞后又不断产生“子子孙孙”——次级粒子,在空中形成一阵“宇宙线雨”。这也被称为广延大气簇射。

百年来,业界一直企图“捕捉”和研究这些“阵雨”,以了解光年外的世界:宇宙线是如何产生的,具体哪个地方发出的,为何会加速这么高的能量……

1949年,以研究高能物理粒子为目的,我国开始了在这一领域的探索。那时,以张文裕为代表的中国第一代宇宙线研究者归国后,着手在云南东川的落雪山上建立实验室,使用传统的云雾式探测器进行研究。不过到了20世纪70年代,实验室才进入“可用的状态”,此时大型加速器给已经成为粒子物理实验研究的主力了。

20世纪80年代末,第二代探索者接力,开始申请启动西藏羊八井探测站建设,与合作方日本相比,“实力”有些悬殊。当时,日方投入的科研费达到约四千万日元(相当于当时200余万人民币)。“那个时候我们整体处于学习阶段,没有充足的经费投入到探测设备,但我们有年轻的队伍和优良的站址。”曹臻回忆,中方负责羊八井基地建设,日方则提供阵列设备。1990年元月,拥有45个探测器的羊八井一期小阵列和羊八井观测站初步建成。

不久后,已是高能物理研究所宇宙线研究室研究生的曹臻,进入羊八井当上了值班观测人员。“感觉就是去当助手,日方几乎主导了整个科研活动”。而且长期以来,羊八井宇宙线观测站没有稳定的运行经费,所有的运营都由科研课题承担。

“通过之前合作中的学习和成长,在2000年时,我们就迎来了‘平等’的合作。”曹臻所指的即是意大利国家核科学院(INFN)与高能所合作的羊八井ARGO项目。“从建设到研究,双方不管是在经费,还是研发人力的投入,以及最后科学论文的完成发表上,都按‘1:1’的比例合作分配。” 曹臻说。

开启“超高能”新时代

坚信能看到更广阔的宇宙

公元1054年,北宋司天监杨惟德观测到一颗仅次于月亮的明亮天体,更为奇怪的是,这颗星星在白天依然散发着光芒,当时中国、阿拉伯和日本天文学家都记录下了这一奇异天象。

此后人们证实,这是一次超新星爆发,这次爆发所产生的蟹状星云,是人类历史上首颗被确认为超新星爆发遗迹的天体。在往后的日子里,人们从射电、红外、光学、紫外、X射线到“甚高能”伽马射线,在各种不同波段上研究了其光谱。使得蟹状星云成为人类认识最全面的天体之一。

不过,在蟹状星云的图景中,仍然缺失着重要的一环,那就是超高能的伽马射线,拉索的出现,让我们得以通过全新的视角观测蟹状星云。2021年7月,科研人员用建成四分之三的拉索,精确测量了蟹状星云的亮度,该成果发布在《科学》杂志上。

星空下的拉索

“1989年,惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体,标志着‘甚高能’伽马射线天文学时代的开启,在经过近30年的辉煌发展后,我们开启了超高能伽马射线研究的时代,让人们得以用全新的视角去研究宇宙和各类天体。” 曹臻说。

超高能伽马射线研究意味着什么?曹臻打了个比方:“我们肉眼可见的太阳光光谱,是红橙黄绿青蓝紫,眼中的世界斑斓精彩。但拉索之前好比只有六色,没有紫色。相关的理论都建立在这种‘缺紫’的观测给大家所描绘的图像基础之上,但拉索能观测到更高能的伽马射线,打开了这个称之为超高能伽马的波段,使得我们看见了更加丰富、色彩完整的宇宙,发现一个全新的宇宙面貌。”

“我始终有一个坚定的信念,当人类的探测能力提高了一个新的台阶之上,你一定能看到更暗弱的天文现象。就像哈勃望远镜给我们展现的样子,在你完全想象不到的地方,实际上有一个更大的宇宙的存在。” 曹臻说。

抱着看到更广阔宇宙的坚定信念,曹臻带领团队在2009年提出建设拉索。在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》中,拉索被列为16个优先安排的重大项目之一,并于2015年12月31日获得国家发改委批准立项。

2017年,拉索在稻城县海子山上破土动工。曹臻表示,之所以选址在四川稻城,是因为宇宙线粒子穿越大气层时容易被吸收,越是在海拔高、空气稀薄的地方设置探测器,其捕捉的灵敏度更高,接收到宇宙线粒子信号的可能性越大,但海拔如果太高,建设又太困难。“除了良好的自然条件外,还离不开四川省委省政府的大力支持。” 曹臻说。

建设中的拉索

建成后的拉索

建设“宇宙驿站”

每天迎接数十亿天外来客

从高空俯瞰,占地1.36平方公里LHAASO是由3个探测器阵列组成。占地面积最大的是一平方公里地面簇射粒子阵列,由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成,星罗密布的电磁粒子探测器按边长15米的正三角形点阵分布;缪子探测器则和点阵搭配,每隔30米就可以看到一个高2.5米的“土堆”。

科学家们在进行探测器安装工作

此外,在拉索大圆盘的中心,有一块醒目的“品”字形方块,那是78000平方米水切伦科夫探测器,探测器内部是深4.5米的密闭水池,水底布满拥有3000多路探测单元的水切伦科夫探测器阵列。水池两角,18台集装箱式样的广角切伦科夫望远镜组成阵列,相互配合着完成360度无死角守望。

“三种探测器阵列分工有所不同,相互间可印证且补充。”曹臻举例,望远镜阵列记录的就是宇宙线到达地面前在空中发展的全过程,而其他两个阵列则捕捉到达时的瞬间信息。“这样高度复合型且能够覆盖多能段的探测阵列在全世界少见。”

在无人区建设如此浩大的工程,最先需要克服的困难,就是基础设施需要从零做起。曹臻介绍,第一波建设团队进驻稻城站址时,就发生了惊险的一幕:因为没有可居住的房屋,只能扎帐篷睡觉,当时天还下着雪,群狼围着人们的帐篷边转边叫,但好在并没有冲进帐篷。

曹臻介绍,除了建设工人,科学家们也都奋战在建设一线。总面积78000千平米的水切伦科夫探测器阵列,就是由一支平均年龄37岁的青年科学家团队建设完成,在面对约2.5个水立方大小、装有35万吨水的探测器阵列,他们在建设过程中面临的是预研300倍的项目规模和艰苦的环境。

光电倍增管组成的水切伦科夫探测器阵列

其中一个步骤,是科学家们将3120个光电倍增管安装到78000千平米阵列中,再注满纯净水。“注水前的巨大密闭水池内不见阳光,整个安装季基本保持在零下4摄氏度左右,工作环境非常具有挑战性。” 曹臻说。

因为工程量大,工期长,拉索采取边建设边运行的方式,已经产生出不少令世界瞩目的成果。除了测定蟹状星云“标准烛光”超高能段亮度,2021年5月17日,拉索还发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子,开启“超高能伽马天文学”时代,该成果发布在《自然》期刊上;2022年2月3日,国际物理学权威杂志《物理评论快报》发表“拉索”最新成果 ,再次验证爱因斯坦相对论时空对称正确性。

如今,建成后的拉索每天都会“迎接”数十亿“天外来客”宇宙线,成为地球上最繁忙的“宇宙驿站”。未来,拉索还将通过对这些宇宙线的研究,发现更多宇宙的奥秘。“科学家是最有好奇心的一群人,对未知的渴望促使我们继续去探索宇宙深处的加速器,对宇宙作更深入的解读。” 曹臻说。

评论 1

  • 剑阁县公安局驻杨村镇柏梓村第一 2024-03-21 发表于四川

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