新華社上海12月12日電題：在地球高點(diǎn)接收“天外問候”——揭秘探索宇宙線起源的“十八般兵器”

新華社記者周琳、程思琪

從11至12日在上海舉行的第8屆高海拔宇宙線探測(cè)研討會(huì)上，記者獲悉，我國(guó)天文大科學(xué)裝置——高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目進(jìn)入集中建設(shè)期。

宇宙線，攜帶著宇宙起源、天體演化和太陽活動(dòng)等宇觀信息，是一種寶貴的科學(xué)資源。它的“出生地”是哪里，為什么帶著這么高的能量，人類能不能解開這個(gè)困擾百年的“世紀(jì)之謎”？來聽聽這群“追信號(hào)的人”，揭秘宇宙線探索的“十八般兵器”。

“天外來客”的出生地在哪里？

宇宙線又稱宇宙射線，是來自宇宙空間的高能粒子流。“天文學(xué)的傳統(tǒng)研究手段大多是電磁波，但宇宙線是人類目前能夠從宇宙深處獲得的唯一物質(zhì)樣本。”高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家、中科院高能物理研究所研究員曹臻說。

宇宙線是組成物質(zhì)本身的粒子直接傳播到地球，包含著許多電磁波無法傳遞的信息，被形象地稱為“宇宙隕石”。1912年被發(fā)現(xiàn)后，與之相關(guān)的研究已經(jīng)獲得數(shù)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，但迄今為止人類仍未發(fā)現(xiàn)其起源。

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授王祥玉介紹，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超新星遺跡、星暴星系、銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，都具有產(chǎn)生宇宙線的條件，但究竟哪一個(gè)是其“出生地”還不得而知。

上海天文臺(tái)研究員王仲翔一直在研究銀河系內(nèi)的宇宙線。他舉例說，宇宙線是穿越歷史的“信使”。公元1006年宋朝期間，曾有一顆超新星閃耀天空，亮度最強(qiáng)時(shí)白天可見；1000多年后，科學(xué)家們?nèi)栽谘芯窟@顆超新星遺跡中快速移動(dòng)的粒子會(huì)不會(huì)是宇宙線的前身，解答“來自宋朝的問候”。

科學(xué)家們介紹，人類已經(jīng)有辦法加速粒子，然而宇宙線粒子的最高能量，相當(dāng)于人類用加速器產(chǎn)生的最高能量粒子的10億倍。曹臻說，利用目前的加速能量，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了描述世界物質(zhì)構(gòu)成的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中所有的基本粒子，包括新近發(fā)現(xiàn)的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理現(xiàn)象，就必須依賴更高的加速辦法。探索高能宇宙線的起源是一個(gè)可能獲得突破的方向。

“多信使”時(shí)代觀測(cè)的“十八般兵器”有哪些？

曾有人形象地比喻：每過一分鐘，才約有一個(gè)宇宙線穿過一枚硬幣大小的面積，這一肉眼看不見的“天外來客”，如何精準(zhǔn)捕捉？曹臻說，可以“下海”，在水底安裝中微子望遠(yuǎn)鏡；可以“上山”，在高海拔搭建觀測(cè)站；也可以“上天”，用粒子探測(cè)衛(wèi)星尋找。

“宇宙線的研究非常困難。宇宙線是帶電粒子，碰到宇宙中無處不在的磁場(chǎng)就會(huì)偏轉(zhuǎn)?？茖W(xué)家盡量選擇光子和中微子作為研究對(duì)象，作為宇宙射線的伴生物，這兩種粒子是沿直線傳播的，比較易于用來回溯到產(chǎn)生地。”王祥玉說。

俄國(guó)高能天體物理學(xué)家詹·阿里是超高能中微子實(shí)驗(yàn)“G噸體積探測(cè)器”項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。他所采用的方法，是通過置放于貝加爾湖下1300米的多個(gè)探測(cè)器，接收宇宙線中微子信號(hào)。

詹·阿里介紹，冬天貝加爾湖的冰層大約在60-90厘米厚，有時(shí)能達(dá)120厘米。科學(xué)家駕車在冰層上打洞，用錨鏈將探測(cè)器墜到湖里，布置在750米至1300米深處；探測(cè)到的信號(hào)會(huì)通過電纜傳到位于水下30米左右的匯集器，再經(jīng)過湖底電纜傳輸?shù)?公里遠(yuǎn)的岸邊數(shù)據(jù)中心。

美國(guó)高能天體物理學(xué)家韋恩·施普林格則是將300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上，形成高海拔水基切倫科夫伽馬射線天文臺(tái)，每24小時(shí)能看到2/3的天空。“30萬年前，名為‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脈沖星，其粒子流還在來訪?！?/p>

日本東京大學(xué)教授豐島正弘是在位于海拔2200米的西班牙拉帕爾瑪島，利用兩架名為“魔術(shù)”的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，目前可以觀測(cè)200多個(gè)高能伽馬射線源。

“高海拔宇宙線觀測(cè)站”會(huì)帶來什么期待？

2016年7月，“高海拔宇宙線觀測(cè)站”在四川省稻城縣海拔4410米的海子山開始基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，預(yù)計(jì)5年內(nèi)建成?！案吆０斡钪婢€觀測(cè)站項(xiàng)目集合了三個(gè)世界之最。”項(xiàng)目硬件總負(fù)責(zé)人何會(huì)海說，一是在1萬億電子伏特附近的甚高能伽馬射線巡天探測(cè)方面，靈敏度世界第一；二是100萬億電子伏特附近的高能伽馬射線探測(cè)方面，靈敏度世界第一；三是三類探測(cè)器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量測(cè)量范圍世界最廣。

據(jù)介紹，目前宇宙線最高能量的粒子，已經(jīng)被著眼于極高能量的FLYSEYE、AUGER等實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到。而“高海拔宇宙線觀測(cè)站”的目標(biāo)，是希望通過更高標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器主體，尋找從未被接收到的“最高能量光子”，向宇宙線起源這一終極命題發(fā)起挑戰(zhàn)。

AUGER實(shí)驗(yàn)法方負(fù)責(zé)人、極高能宇宙線物理學(xué)家蒂娜說，“高海拔宇宙線觀測(cè)站”國(guó)際合作條件已經(jīng)成熟，會(huì)為極高能宇宙線的探測(cè)提供新的“信使”。

“美國(guó)的國(guó)際空間站到2024年就會(huì)結(jié)束運(yùn)行了，希望我國(guó)的空間站能接上接力棒；期待‘高海拔宇宙線觀測(cè)站’能找到宇宙線的源天體，打開深入研究的窗口，為國(guó)際提供揭開謎題的鑰匙?！敝袊?guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張雙南說。（完）