拉索:4410米高处,探索宇宙的超高能极限

作者: 许琦敏

来源: 文汇报

发布日期: 2023-02-24 07:30:59

高海拔宇宙线观测站“拉索”是我国自主设计的新一代伽马射线望远镜,位于四川稻城海子山,海拔4410米。该装置是110年来人类研究宇宙线的最大实验装置之一,已发现超过1PeV的超高能宇宙粒子,未来将助力科学家探索宇宙线的起源和加速机制。自2019年起,“拉索”已成为国际领先的实验设施,并与多个国际团队建立了合作关系。

位于海拔4410米的高海拔宇宙线观测站“拉索”,是我国自主提出、设计、建造的新一代伽马射线望远镜和宇宙线探测装置。作为110年来人类研究宇宙线的最大实验装置之一,它将伽马天文学研究带入了人类从未观测过的新波段。尚未完全建成时,它已发现了超过1PeV(拍电子伏特)的超高能宇宙粒子。未来十几年,它将迎来更多宇宙发现的高光时刻,助力科学家拨开宇宙线起源的迷雾。

看似空空荡荡的星际空间中,其实有无数肉眼无法看见的粒子以接近光速的速度在飞行。它们携带着各自诞生地的奥秘,穿行于星际空间,其中一些会“撞上”地球,留下极其细微的蛛丝马迹。它们就是宇宙线粒子。自1912年确证宇宙线的存在,人类又多了一条探索宇宙奥秘的新路径。百余年来,人类不断突破宇宙线探测的能量极限,并对高能宇宙线进行溯源。

随着高海拔宇宙线观测站“拉索”的正式运行,这个方圆1.36平方公里的“大圆盘”,将从宇宙“洒”向地球的带电粒子中,发现宇宙深处的未知世界,助力中国粒子天体物理研究走向世界最前沿。

宇宙射线的能量可以有多高?我们人眼所能看见的可见光,其光子能量为几个电子伏特(eV)。太阳通过内部氢核聚变所产生的伽马射线,能量就达到了MeV(百万电子伏特)。而高能宇宙射线的能量却可达到GeV(十亿电子伏特)以上。上世纪90年代,由美国发射的GRO(Gamma Ray Observatory)卫星探测器开启了GeV伽马天文学时代,大大拓展了人类认识宇宙的眼界。

为何科学家对于超过1PeV的超高能粒子如此关注?从某种意义上说,这是对人类探索宇宙边界的又一次拓展。宇宙大爆炸是20世纪天体物理的四大发现之一。在大爆炸百亿年之后,整个宇宙中弥漫着3K微波背景辐射。当PeV以上能量的光子遇到宇宙微波背景辐射中的这些低能光子时,就会发生碰撞,从而消耗能量。

从理论上推断,宇宙微波背景辐射会吸收掉能量超过7万PeV的任何一种带电宇宙粒子或能量在1PeV以上的伽马射线——它就好像一堵墙,把人类赖以探索宇宙的伽马射线中超高能的部分挡住了。

“拉索”首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻说,2019年至2020年间,当时仅建成1/2规模的“拉索”用不到一年的观测数据,就将超高能伽马射线源数量提升到了12个,甚至发现了1.4PeV的伽马光子——这打开了人类探索极高能现象的前沿,同时也意味着基本物理规律可能被撼动。

自建成至今,“拉索”团队几乎与世界上所有的中微子望远镜实验、甚高能伽马望远镜实验团队签下了研究合作备忘录。

美国《天文学及天体物理十年规划》将“拉索”列为“世界领先的实验”,希望本国的切伦科夫望远镜阵列(CTA)和南天大视场伽马射线天文台(SWGO)能尽快建成,与“拉索”一争高下。曹臻说,如今的“拉索”已经站到了一个新的起点上,这台最灵敏的超高能伽马望远镜,将挑战宇宙线研究的最前沿,也将成为更多国际合作的大舞台。

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