新華網 正文
衝擊百年謎題!我國高海拔宇宙線觀測站將開工
2017-06-09 08:25:39 來源: 人民日報
關注新華網
微博
Qzone
評論
圖集

  原標題:衝擊,向著百年謎題

  這五年,中國科技發展駛上快車道,一連串科技進步令人驚嘆,一大批重大成果驚艷全球——“神威·太湖之光”超算係統居世界之冠,暗物質衛星“悟空”成功發射,世界最大單口徑球面射電望遠鏡(FAST)主體工程完工,世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射,天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接,國産商用大飛機試飛成功,首次實現海域可燃冰試採成功……

  為展示黨的十八大以來我國令人矚目的科技成就,本版今起推出“厲害了,中國科技”係列報道,關注創新發展,聚焦科技突破,為“中國奇跡”喝彩!

  ——編 者

  四川稻城縣海子山,平均海拔4410米。區內布滿了大大小小的花崗岩漂礫及形態各異的冰蝕岩盆,蠻荒而蒼涼。然而,這裏卻被科學家認定為世界上少有的宇宙線觀測理想站址。

  2014年8月,國家重大科技基礎設施項目——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)最終決定落戶于此。經過幾年的基建準備工作,近日,LHAASO項目主體工程將全面開工建設。

  研究宇宙線及其起源,是人類探索宇宙的重要途徑

  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,並包括少量電子和光子、中微子,時刻存在于我們的星球之上。

  LHAASO項目首席科學家、項目經理、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻説:“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,並攜帶著宇宙起源、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。此後的100年間,與之相關的探索與研究已經産生了6枚諾貝爾獎牌,但人類卻始終沒有發現宇宙線的起源。

  “宇宙線來自哪裏,它們是如何被加速到如此之高的能量,一直是困擾科學家的問題。”曹臻説。

  2004年,美國國家科學技術委員會研究確定了新世紀科學研究的11個世紀謎題,宇宙線起源及其加速機制名列其中。宇宙線來自哪裏為何這麼難以判斷?

  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,能量高的宇宙線應該來自于劇烈的天體活動所伴隨的粒子加速過程。但是,能量越高的宇宙線也越稀少。“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解釋説。

  另一方面,要根據獲得的這些少之又少的宇宙線粒子樣本來確定它們來自何方,則更是難上加難。曹臻説:“宇宙線多為帶電粒子,會在傳播過程中被宇宙中無處不在的星際磁場所偏轉,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、巨大星係之間的碰撞等,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。”曹臻説。

  三類探測器互相配合,有望破解宇宙線起源難題

  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。目前在建的LHAASO就是中國的第三代高山宇宙線實驗室。

  LHAASO佔地2040畝,由三大陣列組成:觀測站中的地面簇射粒子陣列,是一個約1平方公裏的復合地面陣列,約5200個閃爍體探測器按邊長15米的正三角形點陣來排布,同時在2.5米的地下每隔30米布設約1200個繆子探測器;水切倫科夫探測器陣列,是一個深4.5米、佔地8萬平方米的水池,完全密封,水底布滿3000路探測單元;廣角切倫科夫望遠鏡陣則是由12臺廣角切倫科夫望遠鏡組成。這三類探測器彼此聯動,組成巨大的復合探測裝置。

  曹臻説:“宇宙線中的伽馬射線是由高能光子組成的粒子流,它進入地球大氣後會與大氣中的原子核發生碰撞,形成一係列新粒子,紛紛落到地面。LHAASO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進行探測。”

  據他介紹,水切倫科夫探測器陣列專門用來探測能量較低的宇宙線,地面簇射粒子陣列主要用于探測能量稍高的宇宙線。而切倫科夫望遠鏡陣列將開展宇宙線能譜的高精度測量。“三大陣列互相配合,對于宇宙線特徵、起源等進行精密分析和研究,最終有望破解宇宙線起源難題。”

  憑借高靈敏度和獨特設計,將在國際競爭中保持優勢

  為了探索宇宙線這種彌漫整個宇宙的帶電粒子的起源,歐美、中、日的伽馬天文學實驗,美國的南極中微子實驗以及多國合作的巨型極高能宇宙線實驗組成了3個支柱性的研究分支。其中,伽馬天文學實驗尤為成熟,孕育著突破的重大機遇。

  目前,該領域的國際競爭十分激烈,各國都在著手對現有的實驗裝備進行升級換代。美國在結束第二代的MILAGRO實驗之後,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,開始了HAWC實驗,已于2015年初完成建設任務,並啟動了實驗觀測。歐洲更加宏偉的切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)計劃,已經列入歐洲天體物理發展路線圖,將耗資2億歐元對現有實驗升級換代,試圖用其傳統的定點觀測裝置覆蓋寬廣的能區。

  “在這輪競爭中,中國絕不能落後。”中國科學院高能物理研究所副所長羅小安説,“宇宙線研究在我國已有半個多世紀的歷史了。而且我國與宇宙線領域研究強國日本、意大利有著近30年的長期合作歷史,已經積累了很多成功經驗。在此基礎上,在綜合條件更優越的站址建設高海拔宇宙線觀測站,採用多種探測手段實現復合、精確的測量,大幅提高靈敏度,覆蓋更寬廣的能譜,一定能夠對解開宇宙線起源之謎形成強有力的衝擊。”

  按照計劃,LHAASO預計在2021年建設完成。屆時,它將與世界其他3個同水平宇宙線觀測站優勢互補,一起向宇宙線起源這一世紀之謎發起衝擊。

  “位于阿根廷的皮埃爾奧格探測器主要是進行極高能宇宙線探測,南極冰立方探測器則主要對中微子進行探測。目前來看,LHAASO的主要競爭對手是建設中的歐洲切倫科夫望遠鏡陣列。”曹臻説,但憑借最高的高能伽馬射線探測靈敏度、最靈敏的甚高能伽馬射線巡天探測、最寬廣的宇宙線能量探測范圍,以及辨別宇宙線粒子類別的獨特設計,LHAASO項目將在未來競爭中保持獨特優勢。(記者 吳月輝)

+1
【糾錯】 責任編輯: 聶晨靜
相關新聞
新聞評論
    加載更多
    上海:變電站裏來了機器人“同事”
    上海:變電站裏來了機器人“同事”
    中國海洋探索走向縱深
    中國海洋探索走向縱深
    全國部分地區2017年高考結束
    全國部分地區2017年高考結束
    騎馬巡邏守邊關
    騎馬巡邏守邊關
    010020010010000000000000011176501121112815