【央广网】我国高海拔宇宙线观测站拉索通过国家验收 将如何望宇问天、探寻宇宙奥秘?
时间 : 2023-05-15     
 宇宙线是来自浩瀚宇宙深处的高能粒子,携带着宇宙起源、天体演化等重要科学信息。然而,宇宙线的起源问题一直是世纪之谜,研究宇宙线及其起源成为人类探索宇宙的重要途径。

  国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站拉索(LHAASO)5月10日顺利通过国家验收,投入正式运行。坐落在四川省甘孜州稻城县的拉索是世界海拔最高、规模最大、灵敏度最强的伽马射线探测装置,在初步运行期间就已经取得惊艳成果。拉索都建设了哪些具有超能力的“探测神器”?未来又将如何望宇问天、探寻宇宙奥秘?        

  屹立世界屋脊,寻找宇宙线起源

   

  拉索观测站全阵列建设完成(中科院高能物理研究所供图)

  四川省甘孜州稻城县,海拔4410米,在青藏高原最大的古冰体遗迹海子山上,坐落着世界海拔最高、规模最大、灵敏度最强的伽马射线探测装置——高海拔宇宙线观测站拉索的观测基地。高海拔宇宙线观测站总工艺师、中国科学院高能物理研究所研究员何会海介绍,观测基地占地面积约1.36平方公里,相当于190个足球场大小。

  何会海:进行我们这个能段的宇宙线观测最好的海拔是4000米到5000米,4500米左右是最好的。世界上能够找到这样一块地并不容易,我们选址是要有很多条件的,除了4000米到5000米的海拔,因为我们还有光学的设备,所以有一定的光学观测条件的要求,要有足够平的一块地方,要求是落差不超过正负50米,这个场地的落差大概在30米。

   

  高海拔宇宙观测站拉索(记者刘梦雅/摄)

  宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子,在看似“透明”的星际空间,宇宙线如同“信使”,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,以接近光速的速度飞行,像雨点一样散落在地球上,留下极其细微的蛛丝马迹。然而,宇宙线的起源问题一直是世纪之谜,研究宇宙线及其起源也成为人类探索宇宙的重要途径。高海拔宇宙线观测站首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻介绍,拉索的一项重要使命就是寻找宇宙线的起源。

  曹臻:宇宙线核心的问题是起源的问题,作为宇宙的一个组成部分,发现100多年之后仍然没有找到它的源头。要精确测量候选天体,比如说像超新星、黑洞这些天体,去寻找可能的宇宙线起源,包括起源的位置和它的特点。主要的手段就是通过伽马射线的观测,能够找到它们存在的证据,同时还要精确测量宇宙线的成分和它的强度,这样我们就可以把整个宇宙线基本的核心问题搞清楚。

   

  拉索观测站上方的星空(中科院高能物理研究所供图)

  四大“探测神器”捕捉宇宙线的“蛛丝马迹”

  从空中俯瞰,拉索就像是一个“大圆盘”,在这个圆盘之中布置了由四种类型探测器组成的三大探测器阵列,1188个缪子探测器、5216个电磁粒子探测器、78000平方米的水切伦科夫探测器阵列、18台广角切伦科夫望远镜……各类“探测神器”各显神通又互为补充,共同捕捉高能粒子雨的每一个雨点。

   

  由缪子探测器和电磁粒子探测器构成的地面簇射粒子探测器阵列(记者刘梦雅/摄)

  观测站中,最引人注目的当属放眼望去的一个个排列整齐、扎着“红头绳”的“土堆”,以及散落其中顶着“绿头巾”的“盒子”。这些“土堆”便是缪子探测器,“绿盒子”则是电磁粒子探测器,它们共同构成地面簇射粒子探测器阵列,用来探测能量稍高的宇宙线。缪子探测器阵列分总体主任、中国科学院高能物理研究所研究员肖刚介绍,每个占地约36平方米的“土堆”内置了装有超纯净水的高反射率水袋,最长设计使用寿命为20年。

  肖刚:缪子探测器建设过程中最难的地方就在于稳定性,在如此高的海拔建设这么大面积的阵列,要求保持10年到20年。要求每年的设备完好率为95%,通过我们一系列的设计、质量控制和运行维修,2022年达到了99.6%以上,远远超过要求了。

   

  注水前的水切伦科夫探测器阵列(中科院高能物理研究所供图)

  在拉索观测站靠近“大圆盘”的中间位置,建有三个密闭的“大水池”,这里面藏着水切伦科夫探测器阵列。当宇宙线产生的次级粒子进入水池里的纯净水时,会发出微弱的切伦科夫光,将其转换为电信号后,科研人员才可以进行测量和研究。水切伦科夫探测器阵列分总体主任、中国科学院高能物理研究所研究员陈明君介绍,这个探测器阵列约有2.5个“水立方”大小,形如“大灯泡”的国产20英寸超大型光电倍增管的大规模应用,使其成为最灵敏的伽马巡天探测装置。

  陈明君:水切伦科夫探测器阵列现在每天的数据获取量是11TB,拉索90%以上或者说绝大部分的数据都是由这个探测器阵列产生的。

   

  广角切伦科夫望远镜阵列(中科院高能物理研究所供图)

  就在“大水池”的旁边,18台外壳由集装箱改造而成的广角切伦科夫望远镜,以“抬头仰望天空”的姿态排列着。每台望远镜主要由5平方米的球面反射镜和具有1024个像素的硅光电管相机组成,望远镜的仰角能够在0度到90度的范围内调整,可移动底盘的设计更是使望远镜可以在不同的位置布置。何会海介绍,这些望远镜可以对宇宙线能谱进行高精度测量,相比于传统上在强光下容易损坏的普通光电倍增管相机,新型硅光电管的使用使得望远镜的观测不再局限于“没有月亮的夜晚”。

  何会海:我们采用这种技术之后,用硅光电倍增管相机阵列取代了光电倍增管相机阵列,就可以把望远镜的运行时间增加一倍。对于我们这种研究来说,增加了科学运行的时间,也就提高了探测器测量的灵敏度,就会增大科学产出。

  完成多项关键核心技术攻关,获得突破性重大科学成果

  基于“小白兔”技术也就是高精度时钟同步技术,实现将远距离同步精度提升到0.2纳秒;采用特殊的数据筛选技术,对海量数据进行无损压缩,实现实时数据传输……通过自主创新和国际合作,拉索项目完成了多项关键核心技术攻关。

  宇宙无限,而“信使”有痕。由我国自主设计的拉索于2017年开始建设,2021年7月正式建成,并投入稳定运行。拉索采取“边建设、边运行”的模式,在初步运行期间,就已经是重大科学成果频出——发现了银河系中广泛存在拍电子伏加速器,并观测到最高能量光子;精确测定了标准烛光的超高能段亮度,挑战高能天体物理中电子加速的标准模型;探测到迄今最亮的伽马射线暴,打破了多项观测记录。曹臻表示,这一系列成果表明,拉索装置整体性能可靠,具备长期稳定的科学运行能力,对促进我国在粒子天体物理领域实现重大原创突破、带动交叉学科发展具有重要意义。

  曹臻:拉索充分利用世界屋脊的高海拔优势,建成了世界上灵敏度最高的超高能伽马射线装置,设施的综合性能达到国际领先水平,这是国际上公认的。拉索的成功建设,使它成为国际上三大粒子天体物理标志性或者说支柱性的探测装置之一,使我国在这个领域里稳稳当当占据领先地位,同时我们还可以为开展大气、气象、空间环境等前沿科学交叉研究提供实验平台。

引自央广网2023.5.11版 原地址:https://china.cnr.cn/yaowen/20230511/t20230511_526248176.shtml