曹臻院士:“拉索”如何接收“宇宙來信”_風聞
剑啸易水寒-深知身在情长在,前尘不共彩云飞。昨天 21:45
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。