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中国科学家启动海铃计划”:前所未有深海大工程

中国科学家正在启动名为“海铃计划”的深海大工程,旨在打造全球性能*强的中微子望远镜。这个大胆而明确的目标,是为了解决宇宙射线起源等谜题。

利用整个地球作为屏蔽体,海铃望远镜能够捕捉从地球对面穿透而来的中微子。透过地球自转,它能实现360度全天域探测。中微子是一种神秘的宇宙幽灵信使,也是研究极端宇宙的利器。它连接宇宙中极大和极小完美的桥梁。通过捕捉中微子,科学家可以见微知著,静听寰宇。

人们如何了解宇宙?除了看得见的光,还有其他办法吗?上海交通大学李政道研究所的科学家们相信,通过“海铃计划”,他们能够探究更多宇宙的秘密。

根据现代科学研究,约140亿年前的宇宙大爆炸创造了时空和万物,包括构成宇宙的基本粒子,这些粒子是宇宙中*小的单位。其中,中微子是一种特殊的基本粒子,几乎不与物质发生作用,可以在致密的天体环境中逃逸出来,因此被视为极端宇宙研究的理想信使。近年来,中微子备受天文学家关注。

团队基于这一概念,计划在我国海域靠近赤道的一个深海平原建造一个探测器阵列,以研究中微子。该阵列直径约4公里,占地约12平方公里,位于深约3.5公里的海底平原上。阵列由1200根线缆组成,它们锚定在海床上,每根线缆长约700米,互相间距70米至110米。每根线缆上搭载了20个光学探测球舱,静静地等待高能中微子的到来,如同深海中的一串铃铛。

该项目的创新技术和设备、海试选址、概念设计等研究成果,已于2023年10月9日发表在国际学术期刊《自然·天文》上。项目一期建设已于2022年底开始进行。

上海交通大学李政道研究所李政道学者、项目首席科学家徐东莲表示:“海铃望远镜将利用整个地球作为屏蔽体,捕捉从地球对面穿透而来的中微子,通过地球自转实现360度全天域探测。”简而言之,这个深海望远镜“朝下看”,不同于其他望远镜“朝上看”的探测方式。

前所未有的深海大工程

中微子普遍存在于宇宙中,是数量仅次于光子的次原子粒子。它们的诞生通常与宇宙中的极端事件有关,诸如大爆炸、超新星爆发、双中子星合并和黑洞爆发等。高能中微子主要源自宇宙射线与尘埃和气体的碰撞。

在上海交通大学的李政道研究所,记者目睹了多颗玻璃球,这些球的大小与两个足球的直径相当,它们是海铃中微子望远镜的基本组成单元 —— 光学探测球。透过玻璃罩,可以看到球面上混合排列着圆形和方形两种光学探测器。这是一项重要的技术创新,两种探测器的混合使用使探测球同时具备了大面积光子收集和快速时间响应两种性能(后文将详述)。

“光学探测球的作用是收集中微子在海水中反应后产生的光,从而推断中微子的性质。”徐东莲解释道,中微子不带电,不与物质发生强烈的相互作用,能够像幽灵一样自由穿越宇宙,几乎不会丧失自身所携带的宇宙信息,但正因如此,直接检测中微子变得十分困难,研究人员只能通过观察中微子与透明介质(如水和冰)反应后留下的痕迹来进行间接探测。

野外的大面积透明介质环境可以是海洋湖泊,也可以是冰川,那么海铃望远镜是如何选择的呢?

回顾中微子天文学的发展,全球首个高能中微子探测装置选择了冰川:2010年,美国在南极2.5公里深的冰层之下建成含有86根线缆的冰立方中微子天文台,并在2013年首次“看”到了来自宇宙的高能中微子。之后启动建设的装置不约而同选择了水体,有俄罗斯的贝加尔湖装置、欧盟的地中海装置和多机构联合的太平洋装置。

相比冰川,水体的杂质更少、更利于观测,但流动的环境会提高建设和运营的难度。徐东莲告诉记者:“水基望远镜能获得更好的指向能力,性能至少提升10倍。困难,但值得尝试。”

徐东莲曾在冰立方学习、工作,2018年回国加入上海交通大学李政道研究所,依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平台,进一步探索在我国海域建设中微子望远镜的可行性。

“宇宙是无穷的,性能大幅提升的中微子望远镜能捕获更多中微子,通过多个装置数据共享,全球科学家可以联合挖掘极端天体现象,进一步解析极端宇宙。”徐东莲说。

一个前所未有的深海大工程,需要“领航者”,也需要“掌舵人”。中国科学院院士、曾任上海交通大学物理与天文学院院长等职务的景益鹏担任“海铃计划”项目负责人,他从战略上解答了“海铃计划”的必要性:

从国际上看,已经建成的冰立方位于南极,正在建设的贝加尔湖装置、地中海装置和太平洋装置均位于北半球中纬度地区。在我国海域靠近赤道位置选址有独特优势,可以通过地球自转实现360度全天域探测,与其他国际装置形成互补。

从国内来看,我国在多波段望远镜(如LHAASO,HXMT/eXTP,CSST,FAST)、空间引力波(如太极和天琴)和低能中微子观测站(JUNO)均有布局,海铃高能中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要一环,极大促进和完善我国多信使天文观测网建设。

海铃望远镜所需的光学探测球(2023年10月10日摄)刘颖摄/本刊

探路!向海底发射“火箭”

2021年,“海铃计划”首次海试任务启动。来自中国科学技术大学、北京大学、上海交通大学、自然资源部第二海洋研究所、向阳红03号科考船等机构的近80位人员共同参与。

一方面是选址,另一方面是自研设备首次深海实战验证。向阳红03号科考船船长张三担任领队,他表示,海试部分验证了未来海铃望远镜的耐高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜标布放等核心技术。

海试过程如同向海底发射“火箭”。一般来说,火箭发射升空后,其运载的卫星被送入太空,在特定轨道上运行并开展实验,期间没有其他设备和人力的辅助,完全依托卫星装置本身的自动化设施。海试时,探测装置就像“卫星”,被布放装置送入没有任何辅助设施的海底后,将在海底开展自动化实验并回传数据。

记者在上海交通大学李政道研究所看到,海试的探测装置以蓝色六棱柱结构固定了上中下三个玻璃球。中间的是发光球,以已知波长、频率发光。上下两个均为前文中所说的光学探测球,负责测量光到达的时间和强度,通过解码光在传播过程中的散射和吸收情况,得出海水的光学性质。

如果将发光球比作水中的人造月亮,那么两个探测球就好比是在拍摄它。在雾霾天气中,拍摄出来的月亮往往朦胧不清,但是可以根据照片来分析空气中的灰尘浓度。在水中同样如此,上下两个探测球与发光球之间有非等距设计,通过相对测量来消除系统误差。

“我们首次全球同时使用了两套独立的光学测量系统,对中微子反应的海水光学性质进行了解码。”徐东莲介绍说,该团队提出了新型混合探测球舱设计概念,在舱内表面上覆盖了多个能够探测到单光子的光电倍增管,形成了类似于果蝇的复眼结构。该团队还巧妙地利用了光电倍增管之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管来进一步优化中微子探测性能。这种设计没有死角,能够观测不同方向中微子的情况。

该团队完成了首次海试后,全方位了解了预选台址的情况。这个台址位于我国海域靠近赤道的深海平原,深约3.5公里,海床平整,海水清澈,海底数百米高度范围内流速平缓。该地区是建造中微子望远镜的理想环境。

“可见光在自来水中的衰减长度一般只有2米至3米,而预选台址的海水平均吸收和散射长度分别约27米和63米。这使得我们可以清晰地‘录制’中微子与海水反应的轨迹,更利于重建中微子的种类、来源方向以及携带的能量。”徐东莲说。

望远镜要在深海长年运行,团队必须更加重视台址的稳定性和安全性。回到上海后,他们在上海交通大学的船舶拖曳水池中以1:25缩比例模拟了在预选台址建站的情况。实验证实,在预选台址的流速环境下,整个探测阵列纹丝不动。

瞄准2030前后成为全球性能*强

大科学装置一般以10年为量级研制。中微子望远镜从研制到建成会是一个漫长过程。

在上海交通大学的发布会上,我国天文学和物理学领域多位专家表达了对海铃的期待。作为中国首个深海高能中微子望远镜项目,他们认为海铃会在四方面发挥作用:

一是发现高能天体中微子源,确切解答宇宙射线起源的世纪之谜。宇宙射线发现于1912年,但一百多年过去了,人们仍旧不知其来源于何处。

二是结合其他观测手段,理解驱动极端天体现象的深层物理规律。

三是推动我国深海精密仪器及探测技术发展。

四是发起大科学计划,凝聚世界优秀科技人才。海铃建成后将产生海量科学数据,需要联合国际科学家完成研究。

海铃还有望推动中微子的研究。中微子在1930年首次被理论预言,直到1956年才被实验观测到。科学家对其性质的研究已多次刷新我们对基本物理规律的认知,相关成果四次荣获诺贝尔奖。但中微子仍有许多未解之谜,如其绝对质量为多少、它们是否为自身的反粒子等。对中微子更深入的探究,或再次颠覆人们对基本物理规律的认知。

目前,“海铃计划”已进入两步走建设阶段。在科技部、上海市科委和上海交通大学的支持下,一期项目已于2022年底启动。

“一期预计2026年建成,目标是成为世界首个近赤道的小型中微子望远镜,可以开展银河系内外的天体源搜索,并验证建设大阵列的全链技术。”徐东莲说。

一期由海底阵列、岛基测控中心、崖州湾集装基地和李政道研究所科学中心四个部分组成。首先是在预选台址建设10根望远镜串列,通过长距离海缆连接临近岛屿上的测控中心(用于供电和初步数据处理),*后数据传回到李政道研究所科学中心进行*终分析。

终极大阵列包含1200根望远镜串列,可监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里,设计寿命20年。徐东莲介绍,终极大阵列预期在2030年前后建成,基本与世界上其他在建或升级的高能中微子望远镜同期,届时将超过升级后的冰立方,成为国际上*先进的中微子望远镜。

2022年,冰立方利用了十年积累的数据描绘出距离地球4700万光年外的活跃星系TXS0506+056的中微子辐射,这个活跃星系的黑洞被大量尘埃所覆盖,高能光子无法逃逸,只有中微子能穿越。

研究团队预测,海铃终极大阵列建成后,一年内将能够探测到鲸鱼座中的棒旋星系NGC1068的稳定中微子源,并发现类似于冰立方用了10年才初步观察到的TXS0506+056活跃星系的中微子爆发。

来自深海的“宇宙之眼”。就如徐东莲所说:“中微子是极其神秘的宇宙信息信使,也是研究极端宇宙的重要工具,是连接宇宙中的极大和极小的完美纽带。我们捕捉它们,从微观中了解宇宙的奥秘,静听宇宙的声音。”

文|《瞭望》新闻周刊记者 潘旭 董雪

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