高原上的宇宙守望者
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,。它們的體格過于龐大,,每一個都足足占地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個大寫字母――LHAASO,。
LHAASO,是“高海拔宇宙線觀測站”的英文簡稱,,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,這個由中國科學(xué)院與四川省人民政府共建,,由中國科學(xué)院成都分院與中國科學(xué)院高能物理研究所承建的國之重器,,已成為全球最大、靈敏度最高的宇宙線觀測站,。5月10日,,LHAASO順利通過國家驗收,正式“上崗”了,。
“天外來客”
若從高空俯瞰,,觀測站外圓內(nèi)方,宛若一枚古銅錢的巨陣,,守候在青藏高原海子山古冰川遺跡的無人區(qū),。
這枚直徑1.3公里“銅錢”的環(huán)形區(qū)域,點綴著1188個土崗樣式的繆子探測器(繆子是自然界的基本粒子之一――記者注),,和5216個大型鞋盒一般的電磁粒子探測器,。兩組探測器組成地面簇射粒子陣列。
除此之外,,在“銅錢”的中央,,坐落著7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列和由18臺廣角切倫科夫望遠(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器,,就這樣排兵布陣般組合在一起,悄無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,,穿過大氣層時會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器上時,,會發(fā)出微弱的光,從而被捕獲,、收集并觀測,。它們常被稱為銀河隕石、天外來客,攜帶著有關(guān)宇宙起源,、天體演化等重要科學(xué)信息,。
在中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、LHAASO項目首席科學(xué)家曹臻的眼里,,它們是來自宇宙的“信使”,,而研究宇宙線及其起源是人類探測宇宙的重要途徑。
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,,就需要越大的探測器陣列面積和更長久的探測時間。
當(dāng)宇宙線的能量在1011eV(電子伏特的符號,,是能量的單位――記者注)附近,,探測器陣列每秒每平方米大約能接收到1個粒子,到了3×1018eV附近,,需要每年每平方公里才能接收到1個粒子,。
自1912年宇宙線被奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)以來,國際上與宇宙線相關(guān)的研究,,已5次斬獲諾貝爾獎,。盡管如此,人類對宇宙線仍知之甚少,。宇宙線到底從何而來,,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倍的量級,?很多問題,,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,,僅為找到一個合適的觀測站位置,,就花費了6年。
“世界上其實能夠找到這樣一塊地方并不容易的,?!盠HAASO項目副經(jīng)理兼總工藝師何會海告訴中青報?中青網(wǎng)記者,當(dāng)年項目選址要求,,海拔高度最好在4000米至5000米之間,,這樣能減少大氣對宇宙線粒子的影響。
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,,有高壓氧艙等醫(yī)療條件。
“我們在四省五地花了6年才找到這樣一塊地,?!焙螘Uf,那6年,,云南,、四川、青海,、西藏4省區(qū)的5處高海拔地塊兒,,他一一實地踏勘,一地也沒落下,。最終,,海子山被認(rèn)為是天時地利人和的建站絕佳之地。
最初達(dá)到海子山時,,讓曹臻印象深刻的是,,這里3000余平方公里的土地上,遍布著1100多個海子(當(dāng)?shù)貙吹姆Q呼),,海子山的名字正來源于此,。
“要做好這個設(shè)施,一個非常重要的特點就是,,我們要大量地用水,。”曹臻說,,拉索的繆子探測器用水量為5萬噸,,水切倫科夫探測器用水量達(dá)到36萬噸,且需要不斷循環(huán),。
那1188個土崗里埋藏著的,,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,。
“這個超純水比我們喝的水要好太多太多,要在20年的時間里保證這個水不變質(zhì)、不長菌,、不透氣,、不漏、不凍冰,?!焙螘Uf,水袋埋在地下2.5米深的地方,,要想在常年平均氣溫零攝氏度以下的地方保證它不上凍,,也是一件比較難的事。
定址后,,在高海拔無人區(qū)的施工建設(shè)又花了4年,。
“工人來了以后,面臨兩個很大的困難,。第一個就是缺氧,,第二個是沒有信號?!盠HAASO項目建安分總體負(fù)責(zé)人吳超勇說,,“所以很多人來了以后,待了一個晚上,,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?!眳浅赂嬖V記者,,但他們必須保證工期,建筑隊不斷補(bǔ)充人手,,整個觀測站上,,最多時曾有600名工人,。與此同時,,由于自然條件惡劣,每年這里的工期只有半年,,半年時間里往往要完成一年的工作量,。
吳超勇至今還記得,在繆子探測器建設(shè)過程中,,他遇到過一位讓他感動的東北小伙兒,。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家做事情,,他很自豪,。等到小伙子離開海子山時,衣服滿是油漬,,胡子拉碴,,跟來時看上去差了許多歲數(shù),“看不出是同一個人了”,。
曹臻記得,,當(dāng)初施工建設(shè)時,一個工頭非要拉著他拍一張照片,?!八f,這張照片是要發(fā)給他兒子的,?!覂鹤臃浅8信d趣,說是你們在為科學(xué)家干事情,?!辈苷檎f。
那時,,在海子山上,,科研人員時常和這些建筑工人同時灰頭土臉地出現(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”。那段時間,,曹臻也總守在工地上,,他記得,有時夜晚溫度會降到零下35攝氏度,,而工程還在繼續(xù),。
觀測站的路邊,如今立著一塊紅牌子,,上面寫著曹臻常說的一句話:“無論有多大困難,,都要去克服,再困難還要去克服,??朔褪且プ鲞@個做不了的事情?!?/p>
“宇宙無限 信使有痕”
來自中科院高能所的資料顯示,,建設(shè)期間,,LHAASO項目團(tuán)隊通過自主創(chuàng)新和國際合作,完成了多項關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),,首次在大視場成像切倫科夫望遠(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)觀測模式,實現(xiàn)了有效觀測時間的成倍增長,。
團(tuán)隊還發(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,、高精度時鐘同步技術(shù),,遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒,達(dá)到國際領(lǐng)先水平,;還采用了國產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管,,將時間響應(yīng)提高了3倍;把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,,大大擴(kuò)展了觀測能力,。
為了更充分地利用觀測資源,拉索項目是一邊建設(shè)一邊運行的,。起初,,只有二分之一的探測器投入試運行。盡管只有二分之一,,由于其超高的探測靈敏度,,LHAASO在試運行期間就取得多項突破性的重大科學(xué)成果。
“當(dāng)一個探測器的靈敏度上到一個新的臺階之后,,你會看到完全不同的一個宇宙,。”曹臻告訴中青報?中青網(wǎng)記者,,“新現(xiàn)象完全是可期的,,但是它會是什么樣子,是完全不可期的,,這個就是我們做科學(xué)探索的樂趣所在,。”
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)為是目前人類觀測到的最高能量光子,,突破了人類對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)1000萬億電子伏伽馬輻射,,挑戰(zhàn)了理論極限。
“到2022年10月,,老天爺給了我們一個巨大的禮物,。”曹臻說,,拉索觀測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)域其他國家追趕的目標(biāo),。
在曹臻看來,所有這些事并非是靠一兩個人就能做成的,,需要來自各行各業(yè),,有著不同知識背景的科研人員組成的大團(tuán)隊合作攻克。目前,,LHAASO團(tuán)隊由來自中國,、德國、法國,、俄羅斯,、瑞士、泰國6個國家的270余人組成,,也已有28個天體物理研究機(jī)構(gòu)成為LHAASO的國際合作組成員單位,,利用觀測數(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項目,,已成為世界重要的粒子天體物理支柱性實驗之一,使我國在高能伽馬射線天文領(lǐng)域的研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平,,并開始向當(dāng)今最重要的科學(xué)前沿課題――高能宇宙線起源問題發(fā)起沖擊,。
5月10日,受國家發(fā)展和改革委員會委托,,中國科學(xué)院會同四川省組織了LHAASO項目驗收會,。驗收委員會認(rèn)為,,LHAASO的建成運行,使之成為目前國際粒子天體物理三大實驗設(shè)施之一,,對促進(jìn)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大原創(chuàng)突破,、帶動前沿交叉相關(guān)學(xué)科發(fā)展和國際合作具有重要意義。驗收委員會同意該項目通過國家驗收,。
目前,,這個我國自主提出、設(shè)計,、建造的新一代宇宙線觀測裝置,,站在新起點整裝待發(fā),更多的科研成果也在發(fā)酵之中,。
千百年來,,人類對浩瀚宇宙的探索從未停止,從肉眼觀測到使用天文望遠(yuǎn)鏡,,從伽利略到開普勒,,從地心說到相對論,從銀河系到百億光年之外的宇宙深處,。隨著探索的深入,,人類對宇宙的認(rèn)識也在不斷更新。
如今,,LHAASO項目基地大門兩側(cè)的立柱上,,寫著這樣8個大字――“宇宙無限 信使有痕”。大門內(nèi),,三大探測器陣列錯落有致,,24小時嚴(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”在探測器上留下的痕跡,。
中青報?中青網(wǎng)記者 李強(qiáng) 來源:中國青年報
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