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(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(gè)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(yàn)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(diǎn)綴著1188個(gè)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(gè)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(shí)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(shí),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(xiàng)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(shí)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(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,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(gè)合適的觀測站位置,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(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3000余平方公里的土地上,遍布著1100多個(gè)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(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,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(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(gè)很大的困難。第一個(gè)就是缺氧,第二個(gè)是沒有信號?!盠HAASO項(xiàng)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(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?!眳浅赂嬖V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(shí),衣服滿是油漬,胡子拉碴,跟來時(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,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。’”曹臻說。
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(gè)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過自主創(chuàng)新和國際合作,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(shí)現(xiàn)了有效觀測時(shí)間的成倍增長。
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(shí)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(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器投入試運(yùn)行。盡管只有二分之一,由于其超高的探測靈敏度,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)探測器的靈敏度上到一個(gè)新的臺階之后,你會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。”
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(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?!辈苷楦嬖V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(gè)巨大的禮物?!辈苷檎f,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(gè)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(duì)合作攻克。目前,LHAASO團(tuán)隊(duì)由來自中國、德國、法國、俄羅斯、瑞士、泰國6個(gè)國家的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(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(xiàng)目驗(yàn)收會。驗(yàn)收委員會認(rèn)為,LHAASO的建成運(yùn)行,使之成為目前國際粒子天體物理三大實(shí)驗(yàn)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(yàn)收委員會同意該項(xiàng)目通過國家驗(yàn)收。
目前,這個(gè)我國自主提出、設(shè)計(jì)、建造的新一代宇宙線觀測裝置,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,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(xiàng)目基地大門兩側(cè)的立柱上,寫著這樣8個(gè)大字——“宇宙無限 信使有痕”。大門內(nèi),三大探測器陣列錯(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”在探測器上留下的痕跡。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 李強(qiáng) 來源:中國青年報(bào)
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