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地球无底洞可以穿越吗?5年造出火眼金睛

地球无底洞可以穿越吗?5年造出火眼金睛梦想在宇宙深空,建造实现梦想的力量,则要从海拔4410米无人区苍茫的大地上干起。人类的未来终将在星海,拉索项目的科研工作者王玉东,和他参与建设的广角切伦科夫望远镜一起仰望星空时,经常这样想到。这是拉索项目许多科研工作者的共同信念,也是千百年来人们的浪漫梦想。如今,人类借助诸多仪器设备,对宇宙的认知早已突破个体的局限,从可见光延伸到各个波段的电磁波——射电、红外、紫外、X射线到伽马射线。毕竟,越是在人们看不到的地方,越可能隐藏着宇宙未知的秘密。拉索全景拉索就是其中一员。它被形象比喻为孙悟空的“火眼金睛”,是人类目前最灵敏的宇宙射线探测装置,能接住携带宇宙奥秘的信使“宇宙线”,尤其是探测到超高能伽马射线,从而描绘出不一样的“宇宙地图”。

封面新闻记者 陈彦霏 图片由受访者提供

高海拔宇宙线观测站——拉索(LHAASO),东经100° 08 北纬29° 21。

宇宙是什么样子的?远古时期,人类将目力所及大地到天空的范围认知为宇宙;随着人类观测手段的提升,从“地心说”、“日心说”到对远外太空的观测,人类对宇宙的认知逐渐扩大。

如今,人类借助诸多仪器设备,对宇宙的认知早已突破个体的局限,从可见光延伸到各个波段的电磁波——射电、红外、紫外、X射线到伽马射线。毕竟,越是在人们看不到的地方,越可能隐藏着宇宙未知的秘密。

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拉索全景

拉索就是其中一员。它被形象比喻为孙悟空的“火眼金睛”,是人类目前最灵敏的宇宙射线探测装置,能接住携带宇宙奥秘的信使“宇宙线”,尤其是探测到超高能伽马射线,从而描绘出不一样的“宇宙地图”。

人类的未来终将在星海,拉索项目的科研工作者王玉东,和他参与建设的广角切伦科夫望远镜一起仰望星空时,经常这样想到。这是拉索项目许多科研工作者的共同信念,也是千百年来人们的浪漫梦想。

梦想在宇宙深空,建造实现梦想的力量,则要从海拔4410米无人区苍茫的大地上干起。

基础设施从零做起

造出1.36平方公里的“火眼金睛”

拉索位于川西高原的稻城海子山上,作为“十二五”国家重大科技基础设施项目,拉索2017年破土动工后,于2021年完成全阵列建设并投入运行。王玉东还记得,在全阵列完成建设时,他爬上山坡上的观景台,目睹拉索全貌时的情景:

拉索总体占地1.36平方公里、呈圆形分布,由3个探测器阵列组成。占地面积最大的是1平方公里地面簇射粒子阵列,由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成,星罗棋布的电磁粒子探测器按边长15米的正三角形点阵分布;缪子探测器则和电磁粒子探测器搭配,形成每隔30米就可以看到一个高2.5米的“土堆”;拉索大圆盘的中心,78000平方米的水切伦科夫探测器呈“品”字形方块;方块两角,则是18台集装箱式样的广角切伦科夫望远镜组成阵列,相互配合着完成360度无死角守望。

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雪地里的拉索项目工作人员

在无人区建设如此浩大的工程,最先需要克服的困难,就是基础设施从零做起。拉索项目首席科学家、项目工程经理曹臻回忆,第一批建设团队进驻稻城站址时,就发生了惊险的一幕:因为没有可居住的房屋,队员们只能扎帐篷睡觉,当时天还下着雪,狼群围着人们的帐篷边转边叫,但好在并没有冲进帐篷。

除了无人区,高海拔则是对拉索建设者们的另一层考验。王玉东说回忆起第一次去拉索观测站的经历:“下飞机坐上大巴后感觉不想说话,迷迷糊糊。到宾馆躺下睡的时候,感觉呼吸不通畅,每呼吸两次就被迫深呼吸一次。下午肚子里翻江倒海,把午饭都吐了出来,直到晚上才好些。”

曾经手绘地图的少年

成了“宇宙地图”的探索者

从2019年博士毕业算起,今年已经是王玉东在拉索项目的第4个年头。

他很喜欢星空下拉索的模样,它时常显得静谧,但王玉东知道,拉索正以平均每小时捕获上亿的宇宙线的频率,和宇宙进行着无声的“交流”。有时候工作晚了,王玉东看见拉索上空的满天繁星,脑海中总会遐想人生和宇宙的终极问题,拉索的存在,让他感觉和宇宙多了一层联系。

“以前我对地图很痴迷,现在探索‘宇宙地图’也算是一种继承吧!”王玉东回忆,小时候,他就对地图感兴趣,一年级的时候,王玉东父母给他买了张中国地图,他一看就是一天,后来学地理,他能够徒手画出中国地图,而随着年龄的增长,地上的探索已经不能满足王玉东的好奇心,他开始看向天上的星星。“那时候对宇宙的理解还很简单,觉得无非是天上一些星星,现在探索得越多越感到自己的渺小。” 王玉东说。

2017年,王玉东在意大利都灵大学进行联合培养,之前主要从事电离辐射相关研究的他,开始接触拉索一些研究,随着研究深入,他对拉索越来越感兴趣。为了深度参与拉索项目,王玉东从意大利回国,博士毕业后便正式参与到拉索建设中。从对世界地图的好奇,到对宇宙地图的探索,从一个旁观者到一名建设者,王玉东表示:“能够亲手建设自己的宇宙线项目,有机会在该领域进行领跑,心里倍感自豪。”

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王玉东在安装校准反射镜

王玉东主要负责的是广角切伦科夫望远镜中反射镜的安装和调试,这对望远镜的重要性相当于眼睛的眼角膜。“我学的专业是粒子物理与原子核物理,刚加入这个团队后交给我的任务是光学方面的,所以一切都得自己慢慢摸索。”王玉东说,2019年整个下半年,他超过一半的时间都在出差,在缺乏外界详细指导情况下,他和工人一起摸索反射镜安装校准技术,将原本需要3天安装好的反射镜缩短到1天。

和拉索项目的大部分科研工作者一样,王玉东很多时候都是和工人一起安装调试设备,风吹日晒和高海拔的强烈紫外线让王玉东黑了好几度。“我妻子都和我开玩笑说,觉得我不像科研工作者,整天都在工地上干活。”王玉东说。

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水切伦科夫望远镜探测器阵列内部

除了王玉东在室外面临的考验,拉索另一支团队在室内也经历了别样的考验。曹臻介绍,总面积78000千平方米的水切伦科夫探测器阵列,是由一支平均年龄37岁的青年科学家团队建设完成,在面对约2.5个水立方大小、装有35万吨水的探测器阵列,科学家们将3120个光电倍增管安装到78000千平方米阵列中,再注满纯净水。“注水前的巨大密闭水池内不见阳光,整个安装季基本保持在零下4摄氏度左右,工作环境非常具有挑战性。” 曹臻说。

第一期望远镜建设完成,开始试运行后,本该松一口气的王玉东却又遇到了难题。原本冬季应该比较干燥的海子山,因为昼夜温差较大,望远镜的反射镜在凌晨会出现结霜结露的现象,不仅会导致反射镜的反射率发生变化,当融化时还会与尘土一道污染反射镜表面,降低反射率。为了解决这个问题,王玉东和他的团队在每块反射镜的后面都缠绕上了加热带,相当于为每块反射镜加上了“暖宝宝”,从而解决了结霜结露的问题。

开启超高能时代

看到更丰富的宇宙色彩

公元1054年,北宋司天监杨惟德观测到一颗仅次于月亮的明亮天体,更为奇怪的是,这颗星星在白天依然散发着光芒,以至于当时中国、阿拉伯和日本天文学家都记录下了这一奇异天象。

此后人们证实,这是一次超新星爆发,这次爆发所产生的蟹状星云,是人类历史上首颗被确认为超新星爆发遗迹的天体。在往后的日子里,人们从射电、红外、光学、紫外、X射线到“甚高能”伽马射线,在各种不同波段上研究了其光谱。使得蟹状星云成为人类认识最全面的天体之一。

不过,在蟹状星云的图景中,仍然缺失着重要的一环,那就是超高能的伽马射线,拉索的出现,让我们得以通过全新的视角观测蟹状星云。2021年7月,科研人员用建成四分之三的拉索,精确测量了蟹状星云的亮度,该成果发布在《科学》杂志上。

“看见”不一样的“宇宙地图”,拉索之所以能成为人类最灵敏的“火眼金睛”,离不开一系列关键技术创新。

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星空下的拉索项目观测台

王玉东介绍,以他参与建设的广角切仑科夫望远镜为例,其中硅光电倍增管相机的运用大大增加了观测的效率。如果把广角切仑科夫望远镜比作眼睛,硅光电倍增管相机则是这只眼睛的视网膜,原先,望远镜的研制人员打算使用普通的光电倍增管,可却面临着致命的缺点,在较强的光线下使用会降低其寿命,这就使得望远镜就连在有月光的晚上都难以开机,为了确保有足够长的探测时间,科研人员作出了临时换将的重大决定,克服一系列困难,用硅光电倍增管替换了原先的光电倍增管,使得在有月亮的夜晚也能开机观测。

此外,水切伦科夫探测器阵列在建设过程中,也进行了工艺方案优化。探测器单元的关键部件使用了具有我国自主知识产权、国际上最大灵敏面积的新一代20英寸光电倍增管,增强了拉索对50-300GeV能段伽马射线的探测能力,并且大幅提升了其对伽马射线暴等瞬态现象的探测灵敏度。

因为工程量大,工期长,拉索采取边建设边运行的方式,已经产生出不少令世界瞩目的成果。除了测定蟹状星云“标准烛光”超高能段亮度,2021年5月17日,拉索还发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子,开启“超高能伽马天文学”时代,该成果发布在《自然》期刊上;2022年2月3日,国际物理学权威杂志《物理评论快报》发表“拉索”最新成果 ,再次验证爱因斯坦相对论时空对称正确性。

曹臻介绍,在一系列重大成果背后,拉索最大的意义,在于超高能伽马射线研究的时代的开启。1989年,惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体,标志着甚高能伽马射线天文学时代的开启,在经过近30年的辉煌发展后,由拉索开启的超高能伽马射线研究的时代,让人们得以用全新的视角去研究宇宙和各类天体。

超高能伽马射线研究意味着什么?曹臻打了个比方,我们肉眼可见的太阳光光谱,是红橙黄绿青蓝紫,眼中的世界斑斓精彩。但拉索之前好比只有六色,没有紫色。相关的理论都建立在这种‘缺紫’的观测给大家所描绘的图像基础之上,但拉索能观测到更高能的伽马射线,打开了这个称之为超高能伽马的波段,使得我们看见了更加丰富、色彩完整的宇宙,发现一个全新的宇宙面貌。

拉索的意义是什么?

对话拉索科研工作者王玉东

封面新闻:您从事拉索项目以后,觉得大家最关心或者被问得最多的问题是什么?

王玉东:有好几次别人问我,你们这个望远镜,你们这个拉索项目到底做啥的,到底有啥用?说实话,我一开始还是比较蒙的。因为我深知这些东西距离我们现实生活实在是太过遥远,我该怎么去讲述这个事情呢?

起初当被问到这样的问题时,我内心还是有些尴尬的。我不想像丁肇中一样回答,我们做的事情没有用。但是这个用处到底该怎么讲呢?如果是十年前,我可能真的支支吾吾,但是当我加入这个望远镜项目后,我才慢慢有了一些想法。

封面新闻:具体是什么想法,这些想法又是怎样产生的呢?

王玉东:当时是在望远镜的机械加工厂,工作休息之余,那里的师傅问我,你们这个望远镜是不是看得很远,你们这个到底是什么用处?我一开始的确有点懵,他问的问题,同样是我需要问我自己的问题。我当时是有些紧张的,我一时不知该如何回答,停顿了几秒后,我说我们现在做的事情,做的研究跟我们当下生活的确联系不那么紧密,我们的研究是面向未来的,是为了以后做打算的。我们人类不能一直在地球上,总有一天会离开地球离开太阳系,在星际中航行,在实现这些之前,我们需要对宇宙进行详细的了解和研究。我们现在做的只是向这个方向迈了一小步而已……

封面新闻:您的意思是要明白拉索的意义,需要放到人类文明发展的长河中去看吗?

王玉东:人类文明史不过五千年,随着科技的进步,人类能够利用的资源和能源越来越多,形式也越来越高级。随着人们对生存环境的认识加深,我们越来越清楚地认识到,一直停留在地球上,人类是没有出路的。人类需要驾驭更高级的能量形式,是怎样的,我也不知道。需要掌握更多的资源和空间,至少不会是地球或者到月球这么小的范围。20世纪开始的载人航天,登月计划,以及我国提出的行星探测计划,都是这伟大征程的开始。

人类的未来在那大海般的星辰中。从屈原发出天问开始,到伽利略将望远镜转向天空,苏联的“东方一号”上天,苏联的加加林遨游太空,美国的阿姆斯特丹在月球上迈出的一小步,再到今天我国追赶的步伐。人类从未放弃向宇宙进发,我们的征途必将是星辰大海。

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