“拉索”7年:高海拔宇宙線觀測站如何成為全球獨一無二

在青藏高原最大的古冰體遺迹——海子山上,位於海拔4410米的高處,有一個佔地面積達1.36平方公里的巨大“圓盤”。它的任務是接住從外太空灑向地面的帶電粒子。當這些粒子穿過稀薄的大氣落到“圓盤”上時,科學家可以通過與“圓盤”相連的計算機,挖掘出粒子帶來的信息,並由此觸及宇宙的奧秘。

這個“圓盤”名叫“拉索”,全稱是“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO),由國家發展改革委立項支持建設。中國科學家用了7年將它建成。

這個全球獨一無二的觀測站,把人類與宇宙連在了一起。

“拉索”7年:高海拔宇宙線觀測站如何成為全球獨一無二

“我們能不能達到國際領先?

看似空空蕩蕩的星際空間里,有許多肉眼無法看見的粒子在以接近光速的速度飛行,其中不少粒子會“撞上”地球。

1912年,奧地利物理學家赫斯乘坐氣球飛到5000米高空時,確證了這些來自宇宙的不速之客,從此,人類有了一條探索宇宙奧秘的新線索——宇宙線。

中國的宇宙線研究幾乎與新中國同齡。新中國成立初期,王淦昌、張文裕、何澤慧、肖健等科學家回國,開啟了中國宇宙線觀測研究。

他們曾在昆明東川一座3200米的山峰上建設了中國第一個宇宙線實驗室——落雪站。

改革開放后,中國科學院高能物理研究所研究員譚有恆到日本留學。

日本先進的綜合性空氣簇射陣列讓他產生了在中國做類似實驗的想法。

回國后,他積極申請經費,希望在中國建設世界級宇宙線觀測基地。

“要使中國的生產和技術具有持續發展的活力,必須有自己的基礎科研作背景。”在一份材料中,譚有恆如是寫道。

1989年,譚有恆等人提出在西藏建立第一代伽馬天文探測器——羊八井宇宙線國際觀測站。

1992年,作為譚有恆的學生,曹臻成為羊八井宇宙線國際觀測站的第一個值班人員。

“在那之後,我們已經基本上在國際上處於第一梯隊,但仍不算領先,所以我們就在思考,如果說國家再給一次比較大的支持,我們能不能達到國際領先?”曹臻回憶。

這次思考的結果就是“拉索”的誕生。作為中國第三代宇宙線研究者,如今已是“拉索”首席科學家的曹臻記得,“拉索”方案形成過程中,他們在科學目標和工程技術實現能力之間反覆平衡與取捨。

2015年12月31日,“拉索”方案經過中科院和國家層面的層層選拔后脫穎而出,獲得國家發改委批准立項。

“邊建設,邊運行”

把“拉索”建在海子山上,是曹臻和選址團隊在立項之前歷時5年才決定的。

宇宙線容易受到大氣層的影響,因此,宇宙線觀測站需要建在空氣稀薄的高海拔地域。

5年裡,為了給“拉索”找個合適的地方,曹臻等人跑遍了西藏、青海、雲南、四川等所有具備高海拔特徵的區域,最後發現只有海子山能滿足“天時地利人和”的所有條件。

選址團隊成員、“拉索”建安分總體負責人吳超勇記得,“拉索”所在的場地里河道遍布,稍有不慎就會一腳踏進沼澤,大家只能在一塊塊石頭上跳着往前走。

這裡的氣候條件對施工來說也是挑戰。“太冷的時候,這裡無法進行混凝土施工,施工建設的時間大概是從每年5月到10月底,一共不到6個月。”吳超勇說。

即便如此,在曹臻眼中,這裡仍是塊“寶地”:“海子山海拔高,可以減少大氣對宇宙線粒子的影響;地勢平坦,有充足的水資源,可以滿足大量超純凈水的需求;各級地方政府也高度重視,大力支持。”

2017年,“拉索”主體工程動工。為克服環境對工程的影響,曹臻等人提出了“邊建設,邊運行”的思路。

按照設計,“拉索”工程包括1平方公里電磁粒子探測器陣列和有效面積達42000平方米的繆子探測器陣列、以測量簇射粒子在水中產生的切倫科夫光為探測技術的78000平方米探測器陣列、18台廣角切倫科夫望遠鏡陣列。“第一年,我們先建1/4,運行半年,然後再建1/4,湊成1/2,再運行半年……”曹臻說。

真正的突破”

2020年1月,就在他們剛剛建成一半陣列的時候,“超出人們想象”的高能粒子和“幸運”一起降臨在這個尚未完全成型的“圓盤”上。

科研人員通過“拉索”發現,銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1拍電子伏特的超高能宇宙線加速器,這一發現超出了天體物理學家的預期。5月17日,成果發表於《自然》,被期刊專業副主編評價為“真正的突破”和“新時代的開始”。

在一個多月後,7月9日,《科學》上又出現了來自“拉索”的研究成果:科研人員利用“拉索”,精確測量了高能天文學標準燭光——蟹狀星雲的亮度,在更廣的能量範圍內為超高能伽馬光源測定了新標準,並由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星雲核心區內,存在能力超強的粒子加速器,直逼經典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。

“這是我們的幸運!這些觀測成果已經展現出‘拉索’強大的科學發現威力。”由於興奮,曹臻的臉微微有些泛紅。

“照着這個路子走下去”

讓曹臻如此興奮的,不只是“拉索”出了兩個成果,更在於這兩項成果證明“‘拉索’的方向是對的”。“未來十年,我們的研究內容、研究方向都由此明確了。照着這個路子走下去,一定會產出更加重大的科技成果。”曹臻說。

今年10月17日,“拉索”通過工藝驗收,進入科學運行階段。“國際科學家已經把目光投向了‘拉索’,不少國際科研團隊提出希望加入我們的科研合作組。”曹臻說。

最近,美國國家科學院、工程院和醫學院發布了其最新的10年調查結果,概述了未來10年天文學界的科學目標,其中多次提及“拉索”作為該領域領先的項目,將決定本領域的未來發展方向。

由於該報告提到的3個這種級別項目中,只有“拉索”已進入工作狀態,因此,“拉索”也被天體物理學家Felix Aharonian稱為“正在運行的‘未來探測器’”。

“拉索”已經建成運行,但曹臻和他的團隊並沒有因此止步。面向未來,“拉索”團隊還有提升空間分辨能力的新設想。“我們計劃在‘拉索’上再建一個由32台望遠鏡組成的陣列,這個陣列建好之後,‘拉索’相當於又增加了一雙‘火眼金睛’,將具有超高能宇宙線發射位置的識別能力,進一步逼近最終的答案。”曹臻說。

每每談到宇宙線探測的科學目標,曹臻總有說不完的話。如今,在依託“拉索”開展宇宙線研究的同時,他還帶着中國第四代和第五代宇宙線研究者走向國際,參與南部廣域伽馬射線天文台(SWGO)的醞釀工作。

“我們還有很多想法,未來可能通過國際合作去實現。”曹臻說。而這一國際合作被認為“有望幫助世界各地的科學家繼續探索宇宙射線的起源,進一步了解銀河系本身”。

《中國科學報》 (2021-11-11 第1版 要聞 原標題為《“拉索”七年:向著宇宙線研究的最前沿》)

作者 | 倪思潔