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高原上的宇宙守望者

發(fā)布時(shí)間:2023-05-11 14:46:00來(lái)源: 中國(guó)青年報(bào)客戶端

  中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 李強(qiáng)

  放眼望去,那像是1188座土崗子,奇異地出現(xiàn)在四川稻城平均海拔4410米的海子山上。

  但那又不像是一般的土崗子。它們的體格過(guò)于龐大,每一個(gè)都足足占地36平方米。它們周身荒草雜生,兩兩之間卻均勻地保持著30米間距,以品字形有規(guī)律地散布在1.36平方公里的高原上。它們身上都有一抹紅——扎著“紅頭繩”,上面統(tǒng)一寫著6個(gè)大寫字母——LHAASO。

  LHAASO,是“高海拔宇宙線觀測(cè)站”的英文簡(jiǎn)稱,又稱“拉索”。從2009年提出建設(shè)構(gòu)想,到2015年定址海子山,再到今年前后共歷經(jīng)15年,總投資12億元。

  如今,這個(gè)由中國(guó)科學(xué)院與四川省人民政府共建,由中國(guó)科學(xué)院成都分院與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承建的國(guó)之重器,已成為全球最大、靈敏度最高的宇宙線觀測(cè)站。5月10日,LHAASO順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收,正式“上崗”了。

  “天外來(lái)客”

  若從高空俯瞰,觀測(cè)站外圓內(nèi)方,宛若一枚形似古銅錢的巨陣,守在青藏高原海子山古冰川遺跡的無(wú)人區(qū)。

  這枚直徑1.3公里“銅錢”的環(huán)形區(qū)域,點(diǎn)綴著1188個(gè)土崗樣式的繆子探測(cè)器(繆子是自然界的基本粒子之一,記者注),和5216個(gè)大型鞋盒一般的電磁粒子探測(cè)器。兩組探測(cè)器組成地面簇射粒子陣列。

  除此之外,在“銅錢”的中央,坐落著7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列和由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的陣列。

  這些普通人連名字都很難看懂,更難弄明白它們究竟為何物的探測(cè)器,就這樣排兵布陣般組合在一起,悄無(wú)聲息地捕捉著宇宙線,并持續(xù)產(chǎn)出著驚人的科研成果。

  宇宙線,是從宇宙空間射向地球的高能粒子,肉眼并不可見,穿過(guò)大氣層時(shí)會(huì)被打散成更多的粒子,如陣雨般落下。打在那些星羅棋布的探測(cè)器上時(shí),會(huì)發(fā)出微弱的光,從而被捕獲、收集并觀測(cè)。它們常被稱為銀河隕石、天外來(lái)客,攜帶著有關(guān)宇宙起源、天體演化等的重要科學(xué)信息。

  在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻的眼里,它們是來(lái)自宇宙的“信使”,而研究宇宙線及其起源是人類探測(cè)宇宙的重要途徑。

  宇宙線有著不同的起源,有的起源于銀河系內(nèi),有的來(lái)自銀河系外,不同的能量反映著不同的起源,能量越高的宇宙線,就需要越大的探測(cè)器陣列面積和更長(zhǎng)久的探測(cè)時(shí)間。

  當(dāng)宇宙線的能量在1011eV(電子伏特的符號(hào),是能量的單位,記者注)附近,探測(cè)器陣列每秒每平方米大約能接收到1個(gè)粒子,到了3×1018eV附近,需要每年每平方公里才能接收到1個(gè)粒子。

  自1912年宇宙線被奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)以來(lái),國(guó)際上與宇宙線相關(guān)的研究,已5次斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。盡管如此,人類對(duì)宇宙線仍知之甚少。宇宙線到底從何而來(lái),又是怎樣的加速機(jī)制把它加速到比人類制造的加速器高上千萬(wàn)倍的量級(jí)?很多問(wèn)題,都還沒有答案。

  “六年找一塊地”

  然而,想要探尋宇宙線的源頭,困難重重。自2009年提出LHAASO建設(shè)構(gòu)想后,僅為找到一個(gè)合適的觀測(cè)站位置,就花費(fèi)了6年。

  “世界上其實(shí)能夠找到這樣一塊地方并不容易的?!盠HAASO項(xiàng)目副經(jīng)理兼總工藝師何會(huì)海告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,當(dāng)年項(xiàng)目選址要求,海拔高度最好在4千米至5千米之間,這樣能減少大氣對(duì)宇宙線粒子的影響。

  在高海拔的基礎(chǔ)上,還要有一塊足夠大的平坦地塊兒,有便利的水源,附近要有交通,光纖可以抵達(dá),方圓50公里之內(nèi)要有機(jī)場(chǎng),有高壓氧艙等醫(yī)療條件。

  “我們?cè)谒氖∥宓鼗肆瓴耪业竭@樣一塊地?!焙螘?huì)海說(shuō),那6年,云南、四川、青海、西藏4省的5處高海拔地塊兒,他一一實(shí)地踏勘,一地也沒落下。最終,海子山被認(rèn)為是天時(shí)地利人和的建站絕佳之地。

  最初達(dá)到海子山時(shí),讓曹臻印象深刻的是,這里的3000余平方公里的土地上,遍布著1100多個(gè)海子(當(dāng)?shù)貙?duì)湖泊的稱呼),海子山的名字正來(lái)源于此。

  “要做好這個(gè)設(shè)施,一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是,我們要大量地用水?!辈苷檎f(shuō),拉索的繆子探測(cè)器用水量為5萬(wàn)噸,水切倫科夫探測(cè)器用水量達(dá)到36萬(wàn)噸,且需要不斷循環(huán)。

  那1188個(gè)土崗里埋藏著的,正是水,但并非一般的水,而是裝在特制水袋里的超純水,并被埋在直徑6.8米、高1.2米的鋼筋混凝土罐體里,而后用土覆裹其外。

  “這個(gè)超純水比我們喝的水要好太多太多,要在20年的時(shí)間里保證這個(gè)水不變質(zhì)、不長(zhǎng)菌、不透氣、不漏、不凍冰?!焙螘?huì)海說(shuō),水袋埋在地下2.5米深的地方,要想在常年平均氣溫零度以下的地方保證它不上凍,也是一件比較難的事。

  定址后,在高海拔無(wú)人區(qū)的施工建設(shè)又花了4年。

  “工人來(lái)了以后,面臨兩個(gè)很大的困難。第一個(gè)就是缺氧,第二個(gè)是沒有信號(hào)?!盠HAASO項(xiàng)目建安分總體負(fù)責(zé)人吳超勇說(shuō),“所以很多人來(lái)了以后,待了一個(gè)晚上,第二天就要走,(高原反應(yīng))受不了了,給多少錢也不干?!?/p>

  “工人淘汰率到了50%以上。”吳超勇告訴記者,但他們必須保證工期,建筑隊(duì)不斷補(bǔ)充人手,整個(gè)觀測(cè)站上,最多時(shí)曾有600名工人。與此同時(shí),由于自然條件惡劣,每年這里的工期只有半年,半年時(shí)間里往往要完成一年的工作量。

  吳超勇至今還記得,在繆子探測(cè)器建設(shè)過(guò)程中,他遇到過(guò)一位讓他感動(dòng)的東北小伙兒。小伙兒告訴他,他在這里待得很難受,但他覺得自己是在給國(guó)家做事情,他很自豪。等到小伙子離開海子山時(shí),衣服滿是油漬,胡子拉碴,跟來(lái)時(shí)看上去差了許多歲數(shù),“看不出是同一個(gè)人了”。

  曹臻記得,當(dāng)初施工建設(shè)時(shí),一個(gè)工頭非要拉著他拍一張照片?!八f(shuō),這張照片是要發(fā)給他兒子的。‘我兒子非常地感興趣,說(shuō)是你們?cè)跒榭茖W(xué)家干事情?!辈苷檎f(shuō)。

  那時(shí),在海子山上,科研人員時(shí)常和這些建筑工人同時(shí)灰頭土臉地出現(xiàn)在工地上。而曹臻引以為傲的是,在如此惡劣的自然條件下,“科研人員淘汰率為零”。那段時(shí)間,曹臻也總守在工地上,他記得,有時(shí)夜晚溫度會(huì)降到零下35℃,而工程還在繼續(xù)。

  觀測(cè)站的路邊,如今立著一塊紅牌子,上面寫著曹臻常說(shuō)的一句話:“無(wú)論有多大困難,都要去克服,再困難還要去克服??朔褪且プ鲞@個(gè)做不了的事情?!?/p>

  “宇宙無(wú)限 信使有痕”

  來(lái)自中科院高能所的資料顯示,建設(shè)期間,LHAASO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主創(chuàng)新和國(guó)際合作,完成了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),首次在大視場(chǎng)成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管,改變了這類望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)了有效觀測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng)。

  團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了基于“小白兔”技術(shù)、適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù),遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒,達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平;還采用了國(guó)產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管,將時(shí)間響應(yīng)提高了3倍;把觀測(cè)閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,大大擴(kuò)展了觀測(cè)能力。

  為了更充分地利用觀測(cè)資源,拉索項(xiàng)目是一邊建設(shè)一邊運(yùn)行的。起初,只有二分之一的探測(cè)器投入試運(yùn)行。盡管只有二分之一,由于其超高的探測(cè)靈敏度,LHAASO在試運(yùn)行期間就取得多項(xiàng)突破性的重大科學(xué)成果。

  “當(dāng)一個(gè)探測(cè)器的靈敏度上到一個(gè)新的臺(tái)階之后,你會(huì)看到完全不同的一個(gè)宇宙?!辈苷楦嬖V中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,“新現(xiàn)象完全是可期的,但是它會(huì)是什么樣子,是完全不可期的,這個(gè)就是我們做科學(xué)探索的樂趣所在?!?/p>

  2021年,LHAASO在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器候選天體,并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的伽馬光子。這被認(rèn)為是目前人類觀測(cè)到的最高能量光子,突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知,開啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。這些發(fā)現(xiàn)于當(dāng)年5月17日發(fā)表在《自然》(Nature)上。

  “我們看到了很多原本意想不到的東西。”曹臻告訴記者,“尤其是這個(gè)能量很高很高的加速器,可能到處都在我們的宇宙、銀河系的存在?!?/p>

  同年,LHAASO還精確測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的超高能段亮度,發(fā)現(xiàn)1000萬(wàn)億電子伏伽馬輻射,挑戰(zhàn)了理論極限。

  “到2022年10月份,老天爺給了我們一個(gè)巨大的禮物?!辈苷檎f(shuō),拉索觀測(cè)并記錄到了迄今最亮的伽馬射線暴,而這件事,甚至讓歐洲做相關(guān)研究的科學(xué)家很嫉妒,拉索也已經(jīng)成為該領(lǐng)域其他國(guó)家追趕的目標(biāo)。

  在曹臻看來(lái),所有這些事并非是靠一兩個(gè)人就能做成的,需要來(lái)自各行各業(yè),有著不同知識(shí)背景的科研人員組成的大團(tuán)隊(duì)合作攻克。目前,LHAASO團(tuán)隊(duì)由來(lái)自中國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、瑞士、泰國(guó)6個(gè)國(guó)家的270余人組成,也已有28個(gè)天體物理研究機(jī)構(gòu)成為L(zhǎng)HAASO的國(guó)際合作組成員單位,利用觀測(cè)數(shù)據(jù)開展多領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。

  如今,在世界屋脊上圓滿落成的LHAASO項(xiàng)目,已成為世界重要的粒子天體物理支柱性實(shí)驗(yàn)之一,使我國(guó)在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,并開始向當(dāng)今最重要的科學(xué)前沿課題——高能宇宙線起源問(wèn)題發(fā)起沖擊。

  5月10日,受國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)委托,中國(guó)科學(xué)院會(huì)同四川省組織了LHAASO項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)。驗(yàn)收委員會(huì)認(rèn)為,LHAASO的建成運(yùn)行,使之成為目前國(guó)際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一,對(duì)促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破、帶動(dòng)前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)展和國(guó)際合作具有重要意義。驗(yàn)收委員會(huì)同意該項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。

  目前,這個(gè)我國(guó)自主提出、設(shè)計(jì)、建造的新一代宇宙線觀測(cè)裝置,站在新起點(diǎn)整裝待發(fā),更多的科研成果也在發(fā)酵之中。

  千百年來(lái),人類對(duì)浩瀚宇宙的探索從未停止,從肉眼觀測(cè)到使用天文望遠(yuǎn)鏡,從伽利略到開普勒,從地心說(shuō)到相對(duì)論,從銀河系到百億光年之外的宇宙深處。隨著探索的深入,人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)也在不斷更新。

  如今,LHAASO項(xiàng)目基地大門兩側(cè)的立柱上,寫著這樣8個(gè)大字——“宇宙無(wú)限 信使有痕”。大門內(nèi),三大探測(cè)器陣列錯(cuò)落有致,24小時(shí)嚴(yán)陣以待,像是一張編織好的巨網(wǎng),鋪設(shè)在四野荒涼、遍布漂礫的海子山上,等待捕捉宇宙“信使”在探測(cè)器上留下的痕跡。

(責(zé)編:常邦麗)

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