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守候神秘的“宇宙信使”(深度观察)

来源:网络整理 作者:admin 人气: 发布时间:2021-02-09
摘要:图①:雪后的广角切伦科夫望远镜。 图②:水切伦科夫探测器内部的光电倍增管阵列。 图③:科研人员正在验收电

守候神秘的“宇宙信使”(深度观察)

 

  图①:雪后的广角切伦科夫望远镜。
  图②:水切伦科夫探测器内部的光电倍增管阵列。
  图③:科研人员正在验收电磁粒子探测器。
  图④:宇宙线观测站拉索全景。
  中科院高能所供图

 

  新年伊始,从海子山传来好消息:观测站的水切伦科夫探测器阵列(WCDA)全部建成并投入科学运行。这也是拉索(英文简称LHAASO)4种类型的探测器阵列中最早完成的一个。

  说起四川稻城县海子山,大多数人想到的,是壮美的青藏高原风光:高耸入云的雪山、星罗棋布的湖泊、风情独特的高原小镇……

  其实,现实中的海子山蛮荒而苍凉。那里平均海拔4410米,区内布满了大大小小的花岗岩漂砾及形态各异的冰蚀岩盆。但这些并不妨碍它成为科学家心中少有的宇宙线观测理想站址。我国最新一代高海拔宇宙线观测站——拉索,就选址在这里。

  拉索是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙线观测站。从2014年开始小规模的预先研究算起,中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)的科研人员已经在这里奋斗了6个春秋。他们辞别妻儿、离开繁华的大都市,在这片人迹罕至的荒原安营扎寨,克服高原缺氧、高寒等困难,只为了一个目标:守候和捕捉被称为“宇宙信使”的高能射线,进而解开宇宙起源、天体演化的秘密。

  宇宙线携带重要信息

  神秘的“宇宙信使”本身就是组成宇宙天体的物质成分

  尽管已是隆冬时节,海子山的工地现场仍是一派繁忙景象。一辆辆挖掘机正在紧张作业,头戴白色安全帽的施工人员穿梭其间,有的在指挥安放设备,有的在测量数据,还有的在调试仪器。运送物资的车辆不时开过,车一过,扬起的尘土扑面而来。

  观测站的建设一直在争分夺秒地推进当中。每个星期,交到拉索项目首席科学家、中国科学院高能所研究员曹臻手上的建设进度图文报告,都有新的进展。一年多来,先行投入科学观测的首批探测器获取数据稳定,数据量级和分析结果也令他十分满意。“一切都比预想当中的还要快和好!”

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子、中微子,时刻存在于我们的星球之上。

  曹臻告诉记者:“宇宙线又被称作‘银河陨石’,或者叫做传递宇宙大事件的‘信使’。它们本身就是组成宇宙天体的物质成分,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因此,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”

  1912年,奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100多年里,与之相关的探索与研究已经产生了6项诺贝尔奖,但人类却始终没有发现宇宙线的起源。

  宇宙线究竟来自哪里?为何这么难以判断?

  首先,捕捉高能宇宙线就极其不易。高能宇宙线的能量跨度从109到1020电子伏特,能量越高的宇宙线,代表着越剧烈的宇宙活动。但是,能量越高的宇宙线就越稀少。

  曹臻说:“高能粒子的数量通常随着能量的上升急剧下降,粒子能量每上升10倍,数量就会下降1000倍,所以最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。”

  此外,宇宙线多为带电粒子,会在传播过程中被宇宙中无处不在的星际磁场所偏转,等到达地球时早已失去了原初的方向信息,所以无法反推它源自何方。

  尽管寻找宇宙线来源困难重重,但各国科学家们从未放弃努力,他们想尽各种办法。

  “幸好还有一个例外。”曹臻说,“宇宙线中超高能量的伽马射线光子是电中性的,不会发生偏转,能直指其产生的源头。所以,只要捕获到它,就有可能寻找到宇宙线来自何方。”

  由于宇宙线能量越高就越稀少,需要更大规模的探测器才有可能把它“捕获”。这让科学家把目光转向高山实验。高山实验能够充分利用大气作为探测介质在地面上进行观测,对于超高能量的宇宙线观测,目前这是唯一手段。

  曹臻告诉记者,目前在建的拉索,属于中国第三代高山宇宙线实验室。

  空中俯瞰,占地2040亩的高海拔宇宙线观测站犹如一枚铜钱,坐落在海子山上。观测站共有4种探测器阵列:5195个电磁粒子探测器、1188个缪子探测器、3000路水切伦科夫探测器单元,以及18台广角切伦科夫望远镜。

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