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          【中央紀委國家監委網站客戶端】走近國家重大科技基礎設施⑤望宇問天的“超級望遠鏡”
          2022-12-07|文章來源: |【
           

            望宇問天的“超級望遠鏡”

            探訪高海拔宇宙線觀測站

             

            科研人員正在水切倫科夫探測器陣列內部巡檢。中科院高能所 供圖

             

            電磁粒子探測器團隊在現場進行探測器定位工作。中科院高能所 供圖

             

            水切倫科夫探測器陣列內部安裝的20英寸光電倍增管。中科院高能所 供圖

             

            位于海拔4410米高原的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)。 中科院高能所 供圖

            中央紀委國家監委網站 初英杰報道  四川稻城,在青藏高原最大的古冰體遺跡——海子山,海拔4410米的高處,有一片遍布巨大漂礫的荒原。高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,“拉索”)的觀測基地就坐落在這里。

            從高空俯瞰,這一國家重大科技基礎設施的整體外形,就像一枚外圓內方的巨大“銅錢”。它是世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的超高能伽馬射線天文臺,被稱為“超級望遠鏡”。

            中國科學院高能物理研究所研究員、高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家曹臻向記者介紹:“‘拉索’具有前所未有的伽馬射線探測靈敏度,將伽馬天文的研究帶入了人類從未觀測過的新波段,開啟了‘超高能伽馬射線天文學’觀測時代?!?/p>

            “拉索”長什么樣,具有哪些超能力?讓我們去一探究竟。

            探測器陣列規模最大,探測靈敏度、能譜覆蓋范圍、成分識別精確度國際領先

            “拉索”由測控基地和觀測基地組成。測控基地位于稻城縣城。觀測基地所在的海子山,高寒缺氧,孤寂蒼涼。沒有“拉索”之前,這里是渺無人煙的“無人區”。

            觀測基地占地面積約1.36平方公里,相當于190個足球場大小。

            入冬以來,海子山上連續多日天氣晴好。觀測基地的運行人員正在巡檢。觸目所及,“銅錢”的“外圓”部分,一個個巨大的“土堆”排列整齊,“土堆”之間散落一個個覆蓋綠色罩布的“盒子”?!皟确健辈糠?,是一個龐大的方形“大棚”,銀色的房頂在陽光下格外醒目。大棚外,一臺臺藍色的“大箱子”在一側列隊擺開,仰望天空。

            曹臻向記者介紹,“土堆”是繆子探測器,每個占地約36平方米,下面都埋有直徑6.8米、高1.2米的鋼筋混凝土罐體,內置裝有超純凈水的高反射率水袋。1188個繆子探測器總有效面積達42000平方米?!熬G盒子”是電磁粒子探測器,每個占地面積約1平方米,共有5216個。它們共同構成地面簇射粒子探測器陣列。

            “大棚”是水切倫科夫探測器陣列,由三個覆有房頂的大水池呈“品”字形排列構成,占地面積78000平方米。

            “大箱子”則是廣角切倫科夫望遠鏡,共有18臺,構成廣角切倫科夫望遠鏡陣列。

            三大探測器陣列,都是世界最大規模。

            我們為什么要建探測器陣列規模如此之大的“拉索”?這與我們對宇宙線的探索需求有關。

            浩瀚宇宙,蘊藏無限奧秘。

            宇宙線是來自地球以外廣袤空間的微觀粒子。這些肉眼看不見的“宇宙信使”,攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息,是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。

            自宇宙線發現以來,相關探索已誕生數枚諾貝爾獎章。

            “但是,宇宙線的起源在哪,為什么它們有這么高能量的粒子,是怎么加速的?至今未知?!辈苷檎f,“拉索”正是為破解宇宙線起源這一重大世紀難題而建。

            宇宙無限,“信使”有痕。如同“隕石”,宇宙線進入大氣后,會與空氣發生劇烈的相互作用,產生次級粒子。次級粒子繼續與空氣作用,形成級聯反應,產生類似陣雨的空氣簇射。除了產生微觀次級粒子,簇射過程中還會激發產生從紫外到可見波段的光子信號。

            “‘陣雨’傾盆,為探索宇宙線,我們要用各種各樣的容器,比如‘土堆’下的罐子、‘大棚’中的水池,還有‘大箱子’,去收集‘雨滴’?!辈苷榻榻B,“拉索”就像一個大型“集雨”裝置。

            電磁粒子探測器主要用于采樣、探測空氣簇射中的電子、伽馬射線成分,繆子探測器主要用于探測空氣簇射中的繆子成分,水切倫科夫探測器主要用于全覆蓋式測量空氣簇射中的伽馬射線和電子成分,廣角切倫科夫望遠鏡則用于測量空氣簇射中產生的切倫科夫輻射。

            “拉索”正是通過測量空氣簇射過程,來獲得原初宇宙線粒子的方向、種類和能量等信息,從而開展伽馬天文觀測、宇宙線成分與能譜精確測量、暗物質探索等科學研究。

            “這幾種探測器陣列的組合,能夠實現精確的大范圍多參數測量,對空氣里面宇宙線級聯的反應過程進行完整重建?!辈苷檎f,在超高能伽馬射線探測靈敏度、甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度、宇宙線能譜覆蓋范圍和宇宙線成分識別的精確度方面,“拉索”均達國際領先水平。

            多項關鍵技術取得突破,多種先進設備首次大規模應用

            進入“大棚”,在水面上對探測器單元和100個電子學機箱進行巡檢,需要劃船進行。

            “水切倫科夫探測器陣列外圍長300米、寬260米,劃船巡檢一圈,需要好幾個小時?!辈苷閷τ浾哒f,它的面積相當于2.5個“水立方”,比美國同類探測器大4倍左右。它的水深約4.5米至5米,共儲存有35萬噸純凈水,相當于190個標準泳池的用水量。規模大,能量覆蓋范圍就廣,靈敏度就高。

            水切倫科夫探測器陣列的外墻密不透光,內部一片漆黑。三個水池共劃分為3120個5米長、5米寬的探測器單元,每個探測器單元都有一個晶瑩剔透的“大燈泡”。

            可別小看這些“大燈泡”。

            宇宙線產生的次級粒子進入水池里的純凈水時,會發出切倫科夫光。曹臻說,這種光非常微弱,要收集它很不容易。正是通過大規模高靈敏度的“大燈泡”,才能捕捉到它。切倫科夫光轉換為電信號后,科研人員就可以進行測量,分析其光強和到達時間,研究宇宙線信息。

            這些“大燈泡”是20英寸光電倍增管,也是世界上尺寸最大的光電倍增管。

            “在修建一號水池時,用的還是國產的10英寸光電倍增管,20英寸的價格昂貴。后來,中科院高能所與北方夜視公司聯合研發出我國具有完全自主知識產權的20英寸光電倍增管?!辈苷樽院赖卣f,這實現了技術上的突破,打破了國際上單一供應商壟斷的局面,“拉索”2/3的面積也用上了這種先進的設備,提升了探測器的能力。

            如今,水切倫科夫探測器陣列的水池中,共裝有2200多個完全國產化的20英寸光電倍增管,實現了國際上20英寸光電倍增管在宇宙線實驗領域里的首次大規模成功應用,其探測的能量范圍更廣、效率更高,可以“看”到更加遙遠的宇宙深處發生的事件。

            除了20英寸光電倍增管,“拉索”項目還應用了多項我國自主研發的技術和設備。

            比如高精度多節點遠距離時鐘分配與同步系統。

            這個系統有個可愛的名稱——“小白兔”。其對時精度為世界同類技術最高,達0.2納秒,能使我們把“宇宙信使”的方向確定到0.3°的范圍內。

            “‘拉索’測量‘陣雨’落下來的方向、落在不同地方的‘雨滴’時間來重建整場‘陣雨’?!甑巍w落的速度是光速,到達不同探測器的時間差也就是納秒量級?!辈苷檎f,清華大學的技術團隊,通過開源的技術發展,將世界同類技術從1納秒的精度水平提高到了0.1納秒的精度水平。

            不只是精度的提高。曹臻說:“裝有這一系統的設備,曾經只應用于實驗室。經過我國的技術改進變得皮實了,可以用在氣候條件惡劣的野外?,F在,我們在外面放置了500個這樣的設備,可覆蓋整個陣列所有探測器,共6000多個點?!?/p>

            再比如硅光電管技術。

            “拉索”在世界上首次大面積采用硅光電管取代傳統的光電倍增管,應用于野外的廣角切倫科夫望遠鏡。

            “18臺廣角切倫科夫望遠鏡,共用了近兩萬個指甲蓋般大小的硅光電管芯片。一個個小芯片組合起來之后,形成一個高像素的‘照相機’,能實現非常精細的觀測?!辈苷檎f,以前用普通光電倍增管做的“照相機”,只能在沒有月亮的夜晚觀測,而現在滿月的夜晚也能正常觀測了,有效觀測時間大大增加。

            一項項關鍵技術的突破,一個個先進設備的應用,為“拉索”開啟觀測“超高能伽馬射線天文學”的新窗口提供了有力支撐?!袄鳌币脖粐H著名天體物理學家譽為“已經投入觀測運行了的未來探測器”。

            邊建設邊運行,建設期間屢出重大成果,不斷打破觀測紀錄

            北京時間2022年10月9日21點17分,高海拔宇宙線觀測站、高能爆發探索者和慧眼衛星同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴。

            在這次觀測中,“拉索”將伽馬射線暴光子最高能量紀錄提升了近20倍,在國際上首次打開了10TeV(萬億電子伏特)波段的伽馬射線暴觀測窗口。它與高能爆發探索者和慧眼衛星一起,發現這個事件比以往人類觀測到的最亮伽馬射線暴亮了10倍以上。

            這些觀測結果打破了多項伽馬射線暴觀測紀錄,對于揭示伽馬射線暴的爆發機制具有重要價值。

            本次探測結果已在國際上引發了巨大反響,大量相關研究迅速展開。

            伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發現象,短至幾毫秒,長達數小時,釋放的能量超過太陽一生輻射能量的總和。

            “這次高強度的爆發,發生在距離地球24億光年處。這些光子的能量如何能穿越這么遠的距離而來,并且恰好讓我們成功觀測到?”曹臻說,國際上不光關注到我們能夠觀測到爆發,還關注到我們擁有世界上最大規模的繆子探測器,擁有目前最強大的粒子鑒別能力,在伽馬射線暴最高能段的探測上具有超高靈敏度。

            本次伽馬射線暴的成功探測,是“拉索”又一重大成果。實際上,“拉索”尚處建設期時,就屢出重大成果。

            “拉索”的主體工程于2017年開始建設,2019年4月完成四分之一規模的建設,并投入科學運行。2021年7月全部建設完成。其間,一直都是邊建設邊運行。

            在試運行期間,“拉索”已取得突破性的重大科學成果。2021年,在銀河系內發現首批“拍(拍=千萬億)電子伏加速器”,并觀測到最高能量光子,開啟了“超高能伽馬射線天文學”時代。精確測定了標準燭光——“蟹狀星云”的超高能段亮度,挑戰高能天體物理中電子加速的標準模型……

            曹臻向記者介紹,“能夠邊建設邊運行,首先與探測器陣列的特點有關。它是分散的陣列式的布局,不像‘天眼’那樣,需要整個組裝完備才能夠運行。我們在建設‘拉索’的時候,就是根據它分散的特點,劃分成片來建設。這樣,已建成的可以先投入運行。在運行中,能及時發現問題、及時抓住觀測機會,更快出成果?!?/p>

            實踐證明,這種邊建設邊運行的模式的確可行。曹臻說:“我覺得,只要能分離式建設的大科學裝置,都可以用這種模式,提高效率、早日利用?!?/p>

            從古至今,人類對宇宙最深層奧秘的探索從未停止。曹臻經常提到《宋史·仁宗本紀》中記載的“天關客星”,那是一顆超新星的爆發,這顆超新星爆發后留下的遺跡就是“蟹狀星云”。而早在漢代,我國就有了世界上關于超新星爆發的最早記錄。

            從云南東川落雪山上的新中國第一個高山宇宙線實驗室,到西藏羊八井,中日合作ASγ實驗,到中意合作ARGO-YBJ實驗,再到如今的高海拔宇宙線觀測站,我國在宇宙線領域探索,步伐越來越穩,步子越邁越大。

            “我們還將走向國際,參與南部廣域伽馬射線天文臺(SWGO)的醞釀工作?!辈苷檎f,通過國際合作,幫助世界各地的科學家繼續探索宇宙線的起源,進一步了解銀河系本身。

            裝置簡介:

            高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,“拉索”)由我國自主提出并設計、建造,是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施。其核心科學目標是探索高能宇宙線起源,并開展相關的高能輻射、天體演化、暗物質分布等基礎研究。它具有前所未有的伽馬射線探測靈敏度,將伽馬天文的研究帶入了人類從未觀測過的新波段,開啟了“超高能伽馬射線天文學”觀測時代。

          引自中央紀委國家監委網站客戶端2022.11.28版 原地址:http://m.ccdi.gov.cn/content/36/0e/97658.html


           
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