高海拔宇宙線觀測(cè)站整體布局效果圖
廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列
地面簇射粒子陣列
我國(guó)最新天文大科學(xué)裝置——高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,音譯為“拉鎖”)項(xiàng)目7月在海拔4410米的四川省稻城縣海子山開始基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。項(xiàng)目由國(guó)家發(fā)改委于2015年12月31日批準(zhǔn)立項(xiàng),預(yù)算12億元,預(yù)計(jì)5年內(nèi)建成。建成后,有望向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊。目前LHAASO項(xiàng)目集合了國(guó)內(nèi)20多個(gè)科研院校的百余名科學(xué)家,法國(guó)、意大利、瑞典等國(guó)也擬加入該項(xiàng)目國(guó)際合作組。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李昆鵬透露,這是世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙射線探測(cè)裝置。科學(xué)家希望借此捕獲來自遙遠(yuǎn)深空的神秘粒子,取得一系列研究成果,比如,“如果最終找到宇宙線的起源位置,或許就會(huì)知道宇宙究竟從何而來。”
宇宙線是什么 來自宇宙的高能粒子
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子,“是人類目前能夠從宇宙深處獲得的唯一物質(zhì)樣本,宇宙線作為我們與浩瀚星空溝通的‘信使’?!备吆0斡钪婢€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介紹,宇宙線及其起源是人類探索宇宙及其演化的重要途徑,自1912年宇宙線被發(fā)現(xiàn)以來,與之相關(guān)的研究已經(jīng)獲得了數(shù)枚諾貝爾獎(jiǎng)牌,但人類始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源,這成為困擾人類的“世紀(jì)之謎”,在21世紀(jì)重大科學(xué)問題中位列第五。LHAASO項(xiàng)目正是瞄準(zhǔn)宇宙線起源這一重大科學(xué)難題而提出的。
宇宙線的成分中含量最高的是質(zhì)子,其次是從氦核到鐵核等多種原子核,以及少量的光子、電子和中微子。
“雖然還不清楚宇宙線的成因,但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn),宇宙線的壽命、它們?cè)谟钪嬷羞\(yùn)行的時(shí)間和距離等特性會(huì)隨著宇宙的演化而演化。通過分析宇宙線的基本性質(zhì),我們可以得到關(guān)于整個(gè)宇宙演化過程的一些證據(jù)?!辈苷檎f,如果找到宇宙線的起源位置,人們就能進(jìn)而分析整個(gè)宇宙的演化。
為何選海子山 海拔高及水資源充足
項(xiàng)目的預(yù)先研究從2008年開始,科研人員在我國(guó)高海拔地區(qū)進(jìn)行了廣泛選址,最終于2014年選定稻城海子山。曹臻說:“稻城縣擁有極佳的觀測(cè)條件:高海拔、靠近機(jī)場(chǎng)、穩(wěn)定的電力和通訊條件,以及充足的水資源?!蹦壳疤綔y(cè)器的自主研制也已經(jīng)完成,并在西藏羊八井開展了小規(guī)模試驗(yàn)。
目前,國(guó)際上能夠與海子山觀測(cè)站比肩的探究宇宙線大型科學(xué)裝置,只有阿根廷極高能宇宙線觀測(cè)站、南極中微子天文臺(tái)和智利契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。海子山觀測(cè)站的優(yōu)勢(shì)集中在寬視場(chǎng)的全天普查和高能區(qū)的精確測(cè)量。
項(xiàng)目建成后,有望向宇宙線起源這一世紀(jì)之謎發(fā)起沖擊?!叭绻罱K找到宇宙線的起源位置,或許就會(huì)知道宇宙究竟從何而來”
3個(gè)世界之最
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
100萬億電子伏特附近的高能段伽馬射線探測(cè)方面
靈敏度世界第一
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
三大組成部分 不會(huì)破壞海子山景觀
曹臻介紹,LHAASO探測(cè)陣列由3個(gè)主要的部分組成:首先是一個(gè)深5米、占地8萬平方米的水池,這個(gè)完全密封、一片漆黑、面積有兩個(gè)半北京“水立方”大小的水池,布滿3000個(gè)左右的測(cè)量單元,能夠收集到非常遙遠(yuǎn)的星體。第二部分是一個(gè)約1平方公里的復(fù)合地面陣列,約5200個(gè)閃爍體探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣來排布,同時(shí)在2.5米的地下每隔30米布設(shè)約1200個(gè)繆子探測(cè)器,用于探測(cè)能量稍高的宇宙線伽馬光子。第三類裝置由12個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)組成,用于能量更高的宇宙線能譜高精度測(cè)量。這三類探測(cè)器彼此聯(lián)動(dòng),組成巨大的復(fù)合探測(cè)裝置。
“這些裝置修建好后,將埋在地下,地面上將被恢復(fù)成原樣?!崩罾i稱,不會(huì)破壞海子山的自然景觀,還有望形成集科考、旅游等于一體的景點(diǎn)。
打開“宇宙之眼” 應(yīng)能找到宇宙線起源
“LHAASO項(xiàng)目如同一道在海拔4400米以上拉起的恢恢天網(wǎng),將成為全球覆蓋能量范圍最大的宇宙線探測(cè)設(shè)備,隨時(shí)等待捕捉落入地球的新秘密。”曹臻說,“該項(xiàng)目集合了三個(gè)世界之最。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段伽馬射線探測(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。
“利用如此精心布置的大型探測(cè)裝置,理論上講應(yīng)該能找到宇宙線的起源,這也是LHAASO的核心目標(biāo)?!辈苷檎f,另外它的發(fā)現(xiàn)還可能擴(kuò)展到意想不到的領(lǐng)域,如捕捉到伽馬暴,人類已知的最劇烈的天體爆炸過程,就有可能挑戰(zhàn)愛因斯坦的相對(duì)論、經(jīng)典引力理論等基本物理問題。
LHAASO將打開“宇宙之眼”,開啟一個(gè)新時(shí)代。
LHAASO的科學(xué)意義 沖擊宇宙線起源的世紀(jì)之謎
面向國(guó)際基礎(chǔ)研究重大前沿問題,沖擊宇宙線起源的世紀(jì)之謎。充分發(fā)揮高海拔優(yōu)勢(shì),精確測(cè)量膝區(qū)宇宙線分成份能譜;實(shí)現(xiàn)極高能宇宙線譜的完整一致測(cè)量,建成國(guó)際高海拔宇宙線研究中心。
新物理前沿探索,包括:(1)暗物質(zhì)探索;(2)利用瞬變現(xiàn)象探索量子引力或Lorentz對(duì)稱破壞效應(yīng);(3)LHC能量以上新能標(biāo)處粒子物理現(xiàn)象。
LHAASO項(xiàng)目將使我國(guó)籌建中的高海拔宇宙線觀測(cè)站成為世界上四大宇宙線研究基地之一,使我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究躋身于國(guó)際領(lǐng)先地位。
宇宙線研究的意義 或與外星生命有關(guān)
宇宙線看起來和我們的生活很遙遠(yuǎn),但有科學(xué)家認(rèn)為,全球變暖、空中交通等可能與之有直接關(guān)系。
●衛(wèi)星壽命
高能宇宙線粒子和太陽粒子事件可能會(huì)危及在太空飛行的宇航員的生命,還可能影響宇宙飛船、衛(wèi)星等的正常工作及壽命。
●空中交通
雖然宇宙射線到達(dá)地球時(shí),會(huì)有大氣層阻擋住部分輻射,但射線流很可能對(duì)空中交通產(chǎn)生一定的影響。一旦在高空遭到帶電粒子的攻擊,飛機(jī)上所使用的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)有可能失效。
●全球變暖
由于來自外層空間的高能粒子將原子中的電子轟擊出來,形成的帶電離子可以引起水滴的凝結(jié),從而可增加云層的生長(zhǎng)。當(dāng)宇宙射線較少時(shí),產(chǎn)生的云層就少,太陽就可以直接加熱地球表面。
●外星生命
高能粒子流可能在決定其他行星上是否存在生命方面起著關(guān)鍵性的作用。因此有科學(xué)家提出,宇宙射線很有可能與生物物種的滅絕與出現(xiàn)有關(guān)。
針對(duì)以上說法,李昆鵬表示,現(xiàn)在對(duì)宇宙線所知甚少,不排除有這些可能,但需要不斷求證。