原標(biāo)題:沖擊,向著百年謎題
這五年,中國(guó)科技發(fā)展駛上快車(chē)道,一連串科技進(jìn)步令人驚嘆,一大批重大成果驚艷全球——“神威·太湖之光”超算系統(tǒng)居世界之冠,暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”成功發(fā)射,世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)主體工程完工,世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射,天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室順利完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接,國(guó)產(chǎn)商用大飛機(jī)試飛成功,首次實(shí)現(xiàn)海域可燃冰試采成功……
為展示黨的十八大以來(lái)我國(guó)令人矚目的科技成就,本版今起推出“厲害了,中國(guó)科技”系列報(bào)道,關(guān)注創(chuàng)新發(fā)展,聚焦科技突破,為“中國(guó)奇跡”喝彩!
——編 者
四川稻城縣海子山,平均海拔4410米。區(qū)內(nèi)布滿了大大小小的花崗巖漂礫及形態(tài)各異的冰蝕巖盆,蠻荒而蒼涼。然而,這里卻被科學(xué)家認(rèn)定為世界上少有的宇宙線觀測(cè)理想站址。
2014年8月,國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)最終決定落戶于此。經(jīng)過(guò)幾年的基建準(zhǔn)備工作,近日,LHAASO項(xiàng)目主體工程將全面開(kāi)工建設(shè)。
研究宇宙線及其起源,是人類(lèi)探索宇宙的重要途徑
宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子,主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成,并包括少量電子和光子、中微子,時(shí)刻存在于我們的星球之上。
LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō):“宇宙線又被稱(chēng)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(zhì)成分,并攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息。因此,研究宇宙線及其起源是人類(lèi)探索宇宙的重要途徑。”
1912年,奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100年間,與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6枚諾貝爾獎(jiǎng)牌,但人類(lèi)卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。
“宇宙線來(lái)自哪里,它們是如何被加速到如此之高的能量,一直是困擾科學(xué)家的問(wèn)題。”曹臻說(shuō)。
2004年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題,宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中。宇宙線來(lái)自哪里為何這么難以判斷?
一方面,捕捉高能宇宙線就極其不易。高能宇宙線的能量跨度從109到1020電子伏特,能量高的宇宙線應(yīng)該來(lái)自于劇烈的天體活動(dòng)所伴隨的粒子加速過(guò)程。但是,能量越高的宇宙線也越稀少。“這是因?yàn)楦吣芰W拥臄?shù)量隨著能量的上升急劇下降,粒子能量每上升10倍,粒子數(shù)量就會(huì)下降1000倍,所以最終能到達(dá)地球的高能宇宙線粒子少之又少。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員何會(huì)海解釋說(shuō)。
另一方面,要根據(jù)獲得的這些少之又少的宇宙線粒子樣本來(lái)確定它們來(lái)自何方,則更是難上加難。曹臻說(shuō):“宇宙線多為帶電粒子,會(huì)在傳播過(guò)程中被宇宙中無(wú)處不在的星際磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn),等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息,所以無(wú)法反推它源自何方。”
“超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等,都可能是我們要找的來(lái)源。到底誰(shuí)才是真正的來(lái)源,還需要繼續(xù)尋找證據(jù)。我們的高海拔宇宙線觀測(cè)站正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題而提出的。”曹臻說(shuō)。
三類(lèi)探測(cè)器互相配合,有望破解宇宙線起源難題
因?yàn)橛钪婢能量越高就越稀少,所以越大規(guī)模的探測(cè)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(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測(cè)研究中能夠充分利用大氣作為探測(cè)介質(zhì)、在地進(jìn)行觀測(cè)的手段,探測(cè)器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。對(duì)于超高能量的宇宙線觀測(cè),這是唯一手段。目前在建的LHAASO就是中國(guó)的第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。
LHAASO占地2040畝,由三大陣列組成:觀測(cè)站中的地面簇射粒子陣列,是一個(gè)約1平方公里的復(fù)合地面陣列,約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來(lái)排布,同時(shí)在2.5米的地下每隔30米布設(shè)約1200個(gè)繆子探測(cè)器;水切倫科夫探測(cè)器陣列,是一個(gè)深4.5米、占地8萬(wàn)平方米的水池,完全密封,水底布滿3000路探測(cè)單元;廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣則是由12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成。這三類(lèi)探測(cè)器彼此聯(lián)動(dòng),組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。
曹臻說(shuō):“宇宙線中的伽馬射線是由高能光子組成的粒子流,它進(jìn)入地球大氣后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞,形成一系列新粒子,紛紛落到地面。LHAASO的這3個(gè)不同類(lèi)型的探測(cè)器就分別對(duì)這些紛紛落下的粒子進(jìn)行探測(cè)。”
據(jù)他介紹,水切倫科夫探測(cè)器陣列專(zhuān)門(mén)用來(lái)探測(cè)能量較低的宇宙線,地面簇射粒子陣列主要用于探測(cè)能量稍高的宇宙線。而切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列將開(kāi)展宇宙線能譜的高精度測(cè)量。“三大陣列互相配合,對(duì)于宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析和研究,最終有望破解宇宙線起源難題。”
憑借高靈敏度和獨(dú)特設(shè)計(jì),將在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)
為了探索宇宙線這種彌漫整個(gè)宇宙的帶電粒子的起源,歐美、中、日的伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn),美國(guó)的南極中微子實(shí)驗(yàn)以及多國(guó)合作的巨型極高能宇宙線實(shí)驗(yàn)組成了3個(gè)支柱性的研究分支。其中,伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)尤為成熟,孕育著突破的重大機(jī)遇。
目前,該領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,各國(guó)都在著手對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝備進(jìn)行升級(jí)換代。美國(guó)在結(jié)束第二代的MILAGRO實(shí)驗(yàn)之后,從海拔2700米移師4100米的高山站址,借此將靈敏度提高十幾倍,開(kāi)始了HAWC實(shí)驗(yàn),已于2015年初完成建設(shè)任務(wù),并啟動(dòng)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。歐洲更加宏偉的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)計(jì)劃,已經(jīng)列入歐洲天體物理發(fā)展路線圖,將耗資2億歐元對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)升級(jí)換代,試圖用其傳統(tǒng)的定點(diǎn)觀測(cè)裝置覆蓋寬廣的能區(qū)。
“在這輪競(jìng)爭(zhēng)中,中國(guó)絕不能落后。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)羅小安說(shuō),“宇宙線研究在我國(guó)已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史了。而且我國(guó)與宇宙線領(lǐng)域研究強(qiáng)國(guó)日本、意大利有著近30年的長(zhǎng)期合作歷史,已經(jīng)積累了很多成功經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,在綜合條件更優(yōu)越的站址建設(shè)高海拔宇宙線觀測(cè)站,采用多種探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合、精確的測(cè)量,大幅提高靈敏度,覆蓋更寬廣的能譜,一定能夠?qū)忾_(kāi)宇宙線起源之謎形成強(qiáng)有力的沖擊。”
按照計(jì)劃,LHAASO預(yù)計(jì)在2021年建設(shè)完成。屆時(shí),它將與世界其他3個(gè)同水平宇宙線觀測(cè)站優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),一起向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊。
“位于阿根廷的皮埃爾奧格探測(cè)器主要是進(jìn)行極高能宇宙線探測(cè),南極冰立方探測(cè)器則主要對(duì)中微子進(jìn)行探測(cè)。目前來(lái)看,LHAASO的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是建設(shè)中的歐洲切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。”曹臻說(shuō),但憑借最高的高能伽馬射線探測(cè)靈敏度、最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測(cè)、最寬廣的宇宙線能量探測(cè)范圍,以及辨別宇宙線粒子類(lèi)別的獨(dú)特設(shè)計(jì),LHAASO項(xiàng)目將在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中保持獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。(記者 吳月輝)