“拉索”一岁了!首席科学家曹臻院士揭秘等待天外“信使”的背后

2024-04-29 23:49:43来源:四川在线编辑:蒋华

四川在线记者 王若晔 摄影 李强

院士名片

曹臻


中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员、“拉索”首席科学家。曹臻院士自1994年起活跃于国内外宇宙线和伽马天文领域,参与多个国际知名宇宙线实验,提出并领导设计、建成了国际上最灵敏的伽马射线探测装置——拉索。他带领团队围绕宇宙线起源问题,取得了一系列重大突破性成果,使中国的宇宙线研究实现了跨越式发展,达到了国际领先水平。

再过几天,国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站“拉索”将迎来通过国家验收一周年。运行以来,这个位于甘孜州稻城县的大国重器,接连取得国际领先成果,为中国赢得了宇宙解释的话语权。

4月29日,中国科学院院士、“拉索”首席科学家曹臻在甘孜州稻城县作报告,揭秘“拉索”逐梦高原的背后故事,一起仰望星空探索宇宙。

在稻城,等待宇宙的“信使”

甘孜稻城,海拔4410米的海子山,正等候着宇宙“信使”,传递宇宙奥秘。

“宇宙的‘信使’相当多。”曹臻说,包括主要由原子核组成的宇宙线,还有眼睛就能接收的光子、捉摸不定的“幽灵”中微子,以及近年来发现的引力波等。

这些来自宇宙深处的高能粒子,也就是宇宙线,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动等重要科学信息,从外太空来到地球。进入地球大气层内部,互相碰撞,撞成一堆粒子,形成一场“阵雨”,落在了稻城海子山。

不过,这场“阵雨”的“雨滴”粒子都是光速,一场雨持续的时间也就是几个纳秒。怎么去探测?

海子山上的“拉索”观测站,就是为了迎接宇宙“信使”而建。观测站包括安装在地表的电磁粒子探测器阵列、安装在地下的缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列,灵敏度、覆盖范围均达国际领先水平。


“拉索”观测站里,安装在地表的探测器

曹臻打了个比方,就是用各种“水池”“罐子”“盒子”,尽可能收集“重建”这场“阵雨”,把它的方向和能量等重要信息呈现出来。

这样一个大国重器,为何在稻城?

“我们走遍西藏、青海、云南等省份具备高海拔特征的区域,最后非常有幸发现海子山这个好地方,水源丰富、地势平整,距离机场很近。”曹臻说。

2017年,“拉索”开工建设。高寒缺氧、冰川活动留下的众多漂砾,为施工带来不小挑战。曹臻回忆说,海子山最低气温零下35摄氏度的时候,正是项目封顶的关键期,大家都是裹着毯子干。在大家共同努力下,4年间,“拉索”在海子山落地。

刷新历史,观测成果激动人心

运行以来短短两年多,拉索取得的成果,赢来全世界的高度关注。

2022年10月9日,拉索探测到迄今最亮的伽马射线暴(编号GRB 221009A)。伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象,是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象,也是天文学家研究宇宙最重要的依据。

“从上世纪60年代,人类观测伽马射线暴至今,拉索记录到了这次人类有史以来最亮最完整的伽马射线暴,仅仅持续20多分钟,捕捉到了6万多个光子。”曹臻说,“上千年甚至上万年才爆发一次的伽马射线暴,就落在了海子山,这是巨大的好运。”

“拉索”另外一个重要发现,就是超级宇宙线泡泡。

距离天鹅座大约四五千个光年的距离,“拉索”发现一个巨型“泡泡”(巨型超高能伽马射线泡状结构),这是历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体,“全世界除了海子山,没有地方发现。”

“这个‘泡泡’内部结构复杂,里面有多个年轻、炽热的大质量恒星,每个都有强烈的星风,速度可达每秒上千公里。可以想象一下,是多么可怕的环境。而这个环境,就使它们有很大机会产生非常高的能量。因而,我们找到了这个最高能量的宇宙线粒子。”曹臻说。

“拉索”的新发现,离不开其一流的探测装置,一流的技术和设备。

20英寸光电倍增管就是其中之一。在“大池子”水切伦科夫探测器中,有2000多个这样的设备。“此前,国际上只有一家公司能生产,售价6万元一只,成本很高。经过自主研发,我们实现了技术上的突破,打破了单一供应商的垄断,看到宇宙的距离扩展了至少一倍。”曹臻说。

展望未来:攀山入海,继续引领宇宙线研究国际前沿

多个硬核成果,让“拉索”成为引领宇宙线研究的中心。科研工作者们,正不断求索,向着更高、更深、更难的科学目标前进,继续引领宇宙线研究国际前沿。


俯瞰“拉索”

“‘拉索’运行至今,有许多新发现。但同时,我们也知道‘拉索’还有缺陷。”曹臻说,针对空间分辨能力不够强的问题,“拉索”规划再建32台望远镜,这样角度分辨率可以达到0.04度,而“拉索”现在只能达到0.2度。装置建好之后,有望在宇宙线领域继续保持国际领先。

曹臻团队同样注意到中微子的探测问题。“我们发现,海子山4种探测装置做得再好,仍然无法解决中微子的探测问题。”曹臻说,在海拔4410米的海子山探索宇宙,我们也正计划钻进海底4000米捕捉中微子。

在报告的最后,曹臻动情地说,“有幸参与了人类对宇宙最深层奥秘的探索。广袤的宇宙包含了无穷的奥秘,我们永远都在探索的征途之上。未来期待稻城在探索宇宙的伟大历程中扮演重要的角色。”

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