曹臻院士：“拉索”如何接收“宇宙來信”_風聞

來源：中科院高能物理研究所

曹臻，中國科學院院士，中國科學院高能物理研究所研究員，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站“拉索”首席科學家。自1994年起活躍於國內外宇宙線和伽馬天文領域，參與多個國際宇宙線實驗，提出並領導設計、建成了伽馬射線探測裝置——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）。帶領團隊圍繞宇宙線起源問題取得了一系列重大突破性成果，使得中國宇宙線研究實現了跨越式發展，達到國際領先水平 。

“拉索”是藏語“好”的意思，它是觀測宇宙線的大科學裝置，建在青藏高原最大古冰體遺蹟海子山上，這裏海拔高達4410米。2022年10月9日是“拉索”的幸運日，它觀測到了宇宙中最絢爛的“煙花”。那是一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”在死亡瞬間坍塌引發出的巨大爆炸火球，釋放出持續幾百秒的伽馬射線暴。如此亮的伽馬射線暴掃過地球的概率是幾千年一次，而它卻恰好被“拉索”捕捉到了。這些伽馬射線被稱為“宇宙來信”，科學家能從這封信裏讀出宇宙的奧秘。

好運爆棚的“拉索”

伽馬射線暴是什麼？其中一個最基本的過程，就是如果有一顆質量很大的恆星，它的“燃料”燒光之後，不能產生足夠的輻射壓強，那麼它就扛不住這麼巨大的一個質量形成的引力的效應。當引力的效應超過了它輻射出來的輻射壓的抵抗力，這顆新星就開始往下坍縮，過程會越來越劇烈，劇烈到一定程度就是一次爆炸，這種爆炸通常稱為超新星爆炸。爆炸過程中就會噴出一個大火球來，形成一個伽馬射線暴。這是人類歷史上看到的最高能量的一次爆炸，比通常情況下大家觀測到的伽馬射線暴能量要高出1萬倍，大大地超出了人們的預料。

因為是首次測量到爆炸的瞬間，結果發現一個從未見過的現象，伽馬射線暴的數量隨着時間的增長，瞬間就增長到一個很高的水平，然後開始慢慢衰減。在衰減過程中，由於“拉索”測量到了非常多的光子，測量得非常完整和精細。其中發現它衰減到500秒鐘左右後，衰減速度突然變快，明顯有一個拐折。經過對1萬多個伽馬射線暴研究之後，我們對這種現象充滿期待，要是能夠測量到在衰減過程中出現這樣一個快速衰減，那就説明這個伽馬射線暴實際上是一束光，而不是一個大火球。光束的大小通過時間就能夠推算出來。這是“拉索”首次在這麼高的能量上測量到這樣一個光束的寬度，大概是0.6度，就和一根針似的。這麼細的一束光怎麼會正好就照在“拉索”這個探測器上？這次伽馬射線暴在宇宙裏穿行了20多億年，終於在2022年10月9日那天照到地球上。雖然很多探測器都看見它了，但對於“拉索”來説是很重要的，因為“拉索”可不是從任何方向都能去看的，它是放在地面上跟着地球轉，如果正好轉的時候還沒轉到，射線已經打到地上了，那就看不到了，或者地球轉得太快，轉過了，它也看不到了，所以“拉索”運氣真好。

關於這個現象的研究，已經有60多年的歷史，現在人類一共記錄了1萬多個伽馬射線暴，而這一次“拉索”極其幸運地捕捉到了這次爆炸，它剛剛好發生在“拉索”視場的正中央，這個伽馬射線暴是我們人類對天空裏邊出現的最為劇烈的爆炸行為、爆炸過程、爆炸事件的一個記錄。

“傷人”的宇宙線

這次伽馬射線暴，讓“拉索”捕捉到了6萬多個高能伽馬光子，全世界天文學界都沸騰了，這些來自宇宙空間的高能粒子，是人類目前從宇宙深處獲得的唯一物質樣本，被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”，通過它們可以來探索過去宇宙的樣子，這相當於“考宇宙的古”。

宇宙線亦稱為宇宙射線，是來自外太空的帶電高能次原子粒子。宇宙線對人類來説，到底有多重要？雖説看不見摸不着，實際上它一直存在我們周圍。之所以感受不到它的影響，有兩個原因：一是大氣層本身是一個非常好的物質鎧甲，宇宙線進入大氣之後，立刻就和大氣中的原子核發生碰撞，能量低的就被吸收掉，能量高的就被碰撞成多個小碎塊，擋來擋去，最後到達地面上的粒子能量就變得很低，而且數目變得很少；二是地球有一個非常強大的磁場，這使得低能量的宇宙線粒子被磁場分開了，被帶到極地去，這個地方宇宙線的密度越來越強，跟大氣發生碰撞，產生了極光效應，這就是宇宙線引起的。宇宙線和人類密切相關，最新研究表明，宇宙線很可能還引起了物種的演化，所以我們還是應該把宇宙線搞清楚。

通過對宇宙線的研究，我們發現了很多新的粒子，這些粒子遠遠地超過了人類原來的認知，真正打開了科學的邊界和疆界，可以看到一個全新的粒子世界。

解開宇宙線加速之謎

基於對宇宙線的研究，一個偉大的發明誕生了，這就是用人工的方法去產生高速帶電粒子的裝置——加速器。科學家們利用粒子加速器產生的高能粒子轟擊各種目標，不僅深化了微觀與宇宙的探索，還在工業、農業、醫療領域發揮重要作用。歐洲核子研究中心的“大型強子對撞機”是目前世界上能量最高的加速器，在其27公里周長的環形管道中，可將兩個質子分別加速到7萬億電子伏特的極高能量狀態，並使之對撞。但是，這麼高能量的人造高能粒子束要是和宇宙線比起來，根本不值一提。多年測量顯示，宇宙線能量遠超人工加速器，能高出千萬倍。研究宇宙線能否增進對加速器的理解，乃至創造出同等高能的奇蹟？此舉或將引領我們邁入物理認知的新紀元。

“拉索”要怎麼來解決這個事呢？一是全天普查。“拉索”是在北半球，每天跟着地球轉一圈，就把北半球天空掃一遍，不斷地去掃，就會積累下大量的統計量。普查啥呢？尋找高能伽馬射線源，即宇宙線起源線索。二是精細測量。研究它到底是由什麼東西構成，最簡單的一個辦法就是測光譜。每一種光譜，實際上對應一種元素的存在，對於宇宙線來説也是一樣的，光譜的行為以及它的形狀，尤其是高能的行為能夠很好地體現出那個地方發生了什麼事，就可以去探索它產生伽馬射線的機制和原理。

我國自20世紀50年代起觀測宇宙線，歷經三代觀測站，從3200米的雲南東川到4300米的西藏羊八井，再到4410米的四川稻城“拉索”站。科學家們在1.36平方公里圓形區域裏，佈設了一個巨型觀測陣列，捕獲宇宙深空信息。在高海拔地區佈設如此精密的探測設備，困難可想而知，但是惡劣的自然條件並沒有讓科學家們退縮，從2015年12月獲得立項批覆，到2021年7月全陣列建設完成，2023年5月通過國家驗收，“拉索”的誕生速度創造了世界紀錄。如今在伽馬射線觀測領域，“拉索”是世界上最大的探測裝置，靈敏度也達到了國際領先水平。

當初，剛提出建造“拉索”的設想時，一些國外科學家認為根本沒有必要，因為按照他們的理論計算和推測，再先進的探測裝置，最終可能也是一無所獲，完全是一種浪費。但是，中國的實驗物理學家們不盲從純粹的理論推導，他們堅持要眼見為實，用事實説話。果然，“拉索”才建設到一半，就看到了人類從未見過的宇宙奇觀——最高能量的光子。順着這些光子，“拉索”還收穫了更多令全世界科學家驚歎不已的新發現。作為一個國家的重大科技基礎設施，“拉索”這個實驗必然會產生非常重要的一些科學成果，從而助力我國真正在科技的自立自強方面，跑出中國的速度。