揭秘探索宇宙線起源的“十八般兵器”

在地球高點接收“天外問候”——揭秘探索宇宙線起源的“十八般兵器”

記者周琳、程思琪

從11至12日在上海舉行的第8屆高海拔宇宙線探測研討會上，記者獲悉，我國天文大科學裝置——高海拔宇宙線觀測站項目進入集中建設期。

宇宙線，攜帶着宇宙起源、天體演化和太陽活動等宇觀信息，是一種寶貴的科學資源。它的“出生地”是哪裏，為什麼帶着這麼高的能量，人類能不能解開這個困擾百年的“世紀之謎”？來聽聽這羣“追信號的人”，揭秘宇宙線探索的“十八般兵器”。

“天外來客”的出生地在哪裏？

宇宙線又稱宇宙射線，是來自宇宙空間的高能粒子流。“天文學的傳統研究手段大多是電磁波，但宇宙線是人類目前能夠從宇宙深處獲得的唯一物質樣本。”高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家、中科院高能物理研究所研究員曹臻説。

宇宙線是組成物質本身的粒子直接傳播到地球，包含着許多電磁波無法傳遞的信息，被形象地稱為“宇宙隕石”。1912年被發現後，與之相關的研究已經獲得數個諾貝爾獎，但迄今為止人類仍未發現其起源。

南京大學天文與空間科學學院教授王祥玉介紹，科學家已經發現，超新星遺蹟、星暴星系、銀河系中心的超大質量黑洞等，都具有產生宇宙線的條件，但究竟哪一個是其“出生地”還不得而知。

上海天文台研究員王仲翔一直在研究銀河系內的宇宙線。他舉例説，宇宙線是穿越歷史的“信使”。公元1006年宋朝期間，曾有一顆超新星閃耀天空，亮度最強時白天可見；1000多年後，科學家們仍在研究這顆超新星遺蹟中快速移動的粒子會不會是宇宙線的前身，解答“來自宋朝的問候”。

科學家們介紹，人類已經有辦法加速粒子，然而宇宙線粒子的最高能量，相當於人類用加速器產生的最高能量粒子的10億倍。曹臻説，利用目前的加速能量，我們已經發現了描述世界物質構成的“標準模型”中所有的基本粒子，包括新近發現的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理現象，就必須依賴更高的加速辦法。探索高能宇宙線的起源是一個可能獲得突破的方向。

“多信使”時代觀測的“十八般兵器”有哪些？

曾有人形象地比喻：每過一分鐘，才約有一個宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，這一肉眼看不見的“天外來客”，如何精準捕捉？曹臻説，可以“下海”，在水底安裝中微子望遠鏡；可以“上山”，在高海拔搭建觀測站；也可以“上天”，用粒子探測衞星尋找。

“宇宙線的研究非常困難。宇宙線是帶電粒子，碰到宇宙中無處不在的磁場就會偏轉。科學家儘量選擇光子和中微子作為研究對象，作為宇宙射線的伴生物，這兩種粒子是沿直線傳播的，比較易於用來回溯到產生地。”王祥玉説。

俄羅斯高能天體物理學家詹·阿里是超高能中微子實驗“G噸體積探測器”項目的負責人。他所採用的方法，是通過置放於貝加爾湖下1300米的多個探測器，接收宇宙線中微子信號。

詹·阿里介紹，冬天貝加爾湖的冰層大約在60-90釐米厚，有時能達120釐米。科學家駕車在冰層上打洞，用錨鏈將探測器墜到湖裏，佈置在750米至1300米深處；探測到的信號會通過電纜傳到位於水下30米左右的彙集器，再經過湖底電纜傳輸到3公里遠的岸邊數據中心。

美國高能天體物理學家韋恩·施普林格則是將300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上，形成高海拔水基切倫科夫伽馬射線天文台，每24小時能看到2/3的天空。“30萬年前，名為‘Geminga’的中子星爆炸後形成了脈衝星，其粒子流還在來訪。”

日本東京大學教授政廣手嶋是在位於海拔2200米的西班牙拉帕爾瑪島，利用兩架名為“魔術”的切倫科夫望遠鏡觀測，目前可以觀測200多個高能伽馬射線源。

“高海拔宇宙線觀測站”會帶來什麼期待？

2016年7月，“高海拔宇宙線觀測站”在四川省稻城縣海拔4410米的海子山開始基礎設施建設，預計5年內建成。“高海拔宇宙線觀測站項目集合了三個世界之最。”項目硬件總負責人何會海説，一是在1萬億電子伏特附近的甚高能伽馬射線巡天探測方面，靈敏度世界第一；二是100萬億電子伏特附近的高能伽馬射線探測方面，靈敏度世界第一；三是三類探測器複合，覆蓋的宇宙線能量測量範圍世界最廣。

據介紹，目前宇宙線最高能量的粒子，已經被着眼於極高能量的FLYSEYE、AUGER等實驗所觀測到。而“高海拔宇宙線觀測站”的目標，是希望通過更高標準的探測器主體，尋找從未被接收到的“最高能量光子”，向宇宙線起源這一終極命題發起挑戰。

AUGER實驗法方負責人、極高能宇宙線物理學家蒂娜説，“高海拔宇宙線觀測站”國際合作條件已經成熟，會為極高能宇宙線的探測提供新的“信使”。

“美國的國際空間站到2024年就會結束運行了，希望我國的空間站能接上接力棒；期待‘高海拔宇宙線觀測站’能找到宇宙線的源天體，打開深入研究的窗口，為國際提供揭開謎題的鑰匙。”中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南説。