發(fā)布時間:2023-05-16 20:02:19
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中新社成都5月16日電 題:中國“拉索”何以引領宇宙線研究國際前沿?
——專訪“拉索”首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻
中新社記者 孫自法
聚焦宇宙線起源“世紀之謎”、已經(jīng)拉開“超高能伽馬天文學”時代大幕的中國國家重大科技基礎設施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO,中文昵稱“拉索”),5月10日順利通過國家驗收,正式邁入全面開放運行階段。
中國為什么要建設“拉索”、它有哪些特色與優(yōu)勢、將如何引領宇宙線研究國際前沿并開展國際合作、未來進一步發(fā)展有什么規(guī)劃……“拉索”項目工程經(jīng)理、首席科學家、中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)研究員曹臻近日在成都的天府宇宙線研究中心,接受中新社“東西問”專訪,對備受矚目的大科學裝置“拉索”進行科普解讀。
現(xiàn)將訪談實錄摘要如下:
中新社記者:中國為什么要建“拉索”?與國外同類裝置相比,中國“拉索”有何特色與優(yōu)勢?
曹臻:宇宙線攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學信息,研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。宇宙線自110年前發(fā)現(xiàn)研究至今,仍然是一門“年輕”的學科,尚未形成一個“標準模型”完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機制,宇宙線起源這一“世紀之謎”也被國際物理學界列為“新世紀11個科學問題”之一。
對于由實驗主導的宇宙線研究領域來說,需要新一代的探測器以前所未有的靈敏度來開創(chuàng)一個新的時代。在21世紀第一個10年,各國紛紛提出下一代伽馬天文觀測大科學裝置計劃:歐洲國家提出建造100多臺切倫科夫望遠鏡組成的陣列(CTA)計劃;美國選擇了一條通過升級改造實現(xiàn)適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器(HAWC)計劃;中國則提出建設“拉索”的計劃,正式參與這場全世界范圍內的科學發(fā)現(xiàn)比拼。
作為中國自主提出并設計、建造的新一代伽馬射線望遠鏡和宇宙線探測裝置,“拉索”以探索高能宇宙線起源并開展相關高能輻射、天體演化以及暗物質分布等基礎科學研究為核心目標,它占地面積約1.36平方公里,由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器構成的1平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米的水切倫科夫探測器陣列、18臺廣角切倫科夫望遠鏡等三大陣列組成,采用4種探測技術,可全方位、多變量地測量來自于高能天體的伽馬射線和宇宙線。
至于“拉索”的特色和優(yōu)勢,目前可以概括為在三個方向上達到世界領先,也就是創(chuàng)造出三項“世界之最”:世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置,意味著能看到最多的可能性和開展最精細的研究;世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡,可對宇宙進行“普查”,找到更多的“源”;能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線復合式立體測量系統(tǒng),可對到達地球的宇宙線及粒子,做精細的區(qū)分并進行最寬廣能譜的測量,從而對宇宙線相關問題進行非常充分的研究。
海拔4410米的大科學裝置“拉索”。孫自法 攝
中國“拉索”建成運行,正以前所未有的伽馬射線探測靈敏度,將伽馬天文的研究帶入人類從未觀測過的新波段,繼“甚高能伽馬射線天文學”活躍30年之后,開啟并引領人類進入“超高能伽馬射線天文學”時代。
中新社記者:“拉索”從預研到立項建設再到建成運行,堪稱“十多年磨一劍”,建設過程中突破了哪些關鍵技術?已取得哪些重大發(fā)現(xiàn)和研究成果?
曹臻:“拉索”項目建設完成多項關鍵核心技術攻關,主要包括四個方面:一是首次在大視場成像切倫科夫望遠鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管,改變了這類望遠鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測模式,實現(xiàn)有效觀測時間的成倍增長;二是發(fā)展適應4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點、高精度時鐘同步技術,遠距離同步精度提升到0.2納秒,達到國際領先水平;三是采用中國國產20英寸超大型光電倍增管,并將時間響應提高了3倍;把觀測閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏,大大擴展了觀測能力;四是在海量數(shù)據(jù)獲取技術上取得顯著進步,發(fā)展并實現(xiàn)“無觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲?。徊捎锰厥獾臄?shù)據(jù)篩選技術,對海量數(shù)據(jù)進行無損壓縮,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。
由于“拉索”前所未有的超高能伽馬射線探測靈敏度和寬闊的視場,引起伽馬天文研究的革命性變化,僅在初步運行期間就已取得多項突破性的重大科學成果:“拉索”在銀河系內發(fā)現(xiàn)12個超高能伽馬光源,也就是超高能宇宙加速器候選天體,并記錄到人類觀測到的最高能量光子,達到1.4 PeV(拍電子伏,1拍=1千萬億),開啟了“超高能伽馬天文學”時代;“拉索”還精確測定“標準燭光”蟹狀星云的超高能段亮度,發(fā)現(xiàn)1拍電子伏伽馬輻射,挑戰(zhàn)理論極限。
同時,“拉索”建設期間即開展觀測,并實現(xiàn)科學成果持續(xù)產出,截至目前,基于“拉索”項目發(fā)表的期刊論文累計215篇、會議論文156篇?!袄鳌绷碛卸囗椫匾芯砍晒撐囊驯粚W術期刊接收,將于發(fā)表后對外公布。
夜空下的大科學裝置“拉索”。孫自法 攝
中新社記者:“拉索”項目設立的國際合作組如何發(fā)揮作用?迄今已取得哪些重要國際合作成果?這一大科學裝置怎樣既推動中國實現(xiàn)高水平科技自立自強、又開放服務世界造福全人類?
曹臻:“拉索”是一個比較典型的國際合作項目,在宇宙線、粒子天體物理等領域被國際同行譽為科研“金礦”,實際上其觀測數(shù)據(jù)面向全人類,并通過全人類的共同研究來實現(xiàn)破解宇宙線起源之謎的最終目標。因此我們一開始就設計了國際合作組這樣一種傳統(tǒng)的合作組織方式,希望把國際上關注并能進行“拉索”項目相關研究的科學家和科研團隊,都吸引進來合作開展科學研究。另外,我們自己也不可能包攬一切做所有事情,國際團隊參與合作是一個非常好的解決方案。
當然,中外團隊加入“拉索”國際合作組,也有一些必要的門檻設置來保證合作成效,其中就包括建立一個“能進能出”的評估機制,實現(xiàn)對國際合作組成員的動態(tài)優(yōu)化調整。
另一種國際合作方式是吸引國際優(yōu)秀人才來華加入“拉索”團隊,直接到中科院高能所、天府宇宙線研究中心工作。正如中國俗話所說“栽下梧桐樹,引得鳳凰來”,由于“拉索”國際影響力不斷擴大,國際科技人才特別是年輕科研人員現(xiàn)在已向“拉索”聚集,包括發(fā)出求職請求等。
“拉索”項目還充分發(fā)揮中科院建制化研究的優(yōu)勢,面向世界全面開放共享。目前,已有28個天體物理研究機構成為“拉索”的國際合作組成員單位,利用“拉索”觀測數(shù)據(jù)開展粒子天體物理研究,同時進行宇宙學、天文學、粒子物理學等眾多領域基礎研究。隨著通過國家驗收投入正式運行,“拉索”也將成為以中國為主、多國參與的國際宇宙線研究中心,并借助高海拔伽馬天文、宇宙線的觀測優(yōu)勢,成為獨具特色、綜合開放的科學研究平臺。
我們希望通過中國“拉索”引領國際合作,把深入開展宇宙線研究取得的成果,逐步變成認識宇宙的重要組成部分。
“拉索”已投入穩(wěn)定的科學觀測運行,正以超越上一代望遠鏡幾十倍的超高能伽馬射線探測靈敏度,雄踞世界之首,引領未來的伽馬射線天文學研究的發(fā)展。相信在未來10年、20年內,全世界基于“拉索”觀測數(shù)據(jù)開展分析研究,發(fā)表高水平科研論文,都將為人類進一步理解、解釋宇宙作出中國貢獻。
大科學裝置“拉索”布設的探測陣列。孫自法 攝