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【人民日报】高海拔宇宙线观测站首批探测器投入科学观测
2019-06-10|文章来源:吴月辉 |【
 

  记者从中国科学院高能物理研究所获悉,位于四川稻城海子山的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器日前正式投入科学观测。

  高海拔宇宙线观测站是我国“十二五”期间立项建设的国家重大科技基础设施,由电磁粒子探测器(ED)阵列、缪子探测器(MD)阵列、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)、广角切伦科夫望远镜阵列(WFCTA)等组成。其主要科学目标为,探索高能宇宙线起源,开展相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。整体工程计划于2021年全部建成。

  项目主体工程于2017年6月在海拔4410米的四川省稻城县海子山启动,经过近2年的建设,目前观测阵列已经具有一定规模。此次投入科学观测的探测器包括由1800个探测器组成的、灵敏面积达22500平方米的一号水切伦科夫探测器阵列,两台广角切伦科夫望远镜,180台电磁粒子探测器和80个缪子探测器。

  宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子、中微子,时刻存在于我们的星球之上。

  LHAASO项目首席科学家、项目经理、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说:“宇宙线又被称作‘银河陨石’,或传递宇宙大事件的‘信使’。它们本身就是组成宇宙天体的物质成分,并携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。因此,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。”

  1912年,奥地利科学家赫斯首次发现宇宙线。此后的100年间,与之相关的探索与研究已经产生了6枚诺贝尔奖牌,但人类却始终没有发现宇宙线的起源。

  “宇宙线来自哪里,它们是如何被加速到如此之高的能量,一直是困扰科学家的问题。”曹臻说。

  2004年,美国国家科学技术委员会研究确定了新世纪科学研究的11个世纪谜题,宇宙线起源及其加速机制名列其中。宇宙线来自哪里为何这么难以判断?

  一方面,捕捉高能宇宙线就极其不易。高能宇宙线的能量跨度从10的9次方到10的20次方电子伏特,能量高的宇宙线应该来自于剧烈的天体活动所伴随的粒子加速过程。但是,能量越高的宇宙线也越稀少。“这是因为高能粒子的数量随着能量的上升急剧下降,粒子能量每上升10倍,粒子数量就会下降1000倍,所以最终能到达地球的高能宇宙线粒子少之又少。”清华大学教授崔伟解释说。

  另一方面,要根据获得的这些少之又少的宇宙线粒子样本来确定它们来自何方,则更是难上加难。曹臻说:“宇宙线多为带电粒子,会在传播过程中被宇宙中无处不在的星际磁场所偏转,等到达地球时早已失去了原初的方向信息,所以无法反推它源自何方。”

  “超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等,都可能是我们要找的来源。到底谁才是真正的来源,还需要继续寻找证据。我们的高海拔宇宙线观测站正是瞄准这一重大科学难题而提出的。”曹臻说。

  因为宇宙线能量越高就越稀少,所以越大规模的探测器才有可能捕捉到足够多可供研究的高能宇宙线样本。

  高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地进行观测的手段,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线观测,这是唯一手段。目前在建的LHAASO就是中国的第三代高山宇宙线实验室。

  曹臻说:“宇宙线中的伽马射线是由高能光子组成的粒子流,它进入地球大气后会与大气中的原子核发生碰撞,形成一系列新粒子,纷纷落到地面。LHAASO的这四种不同类型的探测器就分别对这些纷纷落下的粒子进行探测。”

  据他介绍,水切伦科夫探测器阵列、电磁粒子探测阵列、缪子探测器阵列主要用于探测能量稍高的宇宙线。而广角切伦科夫望远镜阵列将开展宇宙线能谱的高精度测量。“四大阵列互相配合,对于宇宙线特征、起源等进行精密分析和研究,最终有望破解宇宙线起源难题。”

  此次投入使用的水切伦科夫探测器阵列是观测阵列的主要科学设施,专门用来探测能量较低的宇宙线。其每天都能够对60%以上的天区进行一次扫描,不受日、月、星光及天气条件的影响,实现全天候的观测,每年将探测到5万亿个宇宙线事例,获取4PB以上的观测数据。

  曹臻说:“本次投入观测的一号阵列,其巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置高出30%,可以在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开合作研究。”

  近几年,国际上兴起了多波段、多信使的天文观测浪潮,进入了多观测站点、多观测手段联合观测的时代,取得多个重大发现,获得丰硕成果。此次该项目首批探测器投入科学观测倍受国内外专家关注,4月27日,来自中国、美国、日本、德国、法国、意大利、俄罗斯、瑞士等国的专家学者赴观测站现场考察,并对第一阶段的科学观测目标进行深入探讨,这将促进与国际各类大型天文观测实验的合作研究。

    (原载于人民日报客户端:https://wap.peopleapp.com/article/4102635/3960636?from=timeline&isappinstalled=0 )


 
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