高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

2019年10月29日08:45:20高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)已关闭评论 126 views

 高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

这个“神秘设施”在四川甘孜州稻城开始运作了!

它的学名叫

高海拔宇宙线观测站

(LHAASO)

4月26日,高海拔宇宙线观测站首批探测器投入科学观测。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,以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为目标。高海拔宇宙线观测站建成后,将跻身世界四大宇宙线研究中心之列,同时将在相较国际同类装置中,具有最高的高能伽马射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量测量范围。同时,天府宇宙线研究中心也于4月26日在成都揭牌成立。

瞄准世纪难题

追寻“宇宙线的起源”

 

选址于甘孜州稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站是“十二五”期间启动的国家重大科技基础设施项目,以探索高能宇宙线起源并开展相关的高能辐射、天体演化以及暗物质分布等基础科学研究为核心目标。该项目由中国科学院和四川省人民政府联合建设,中科院成都分院和高能物理研究所承建。清华大学、中国科学技术大学、山东大学、四川大学、西南交通大学、中国科学院国家空间科学中心等国内20个高校和科研院所的上百名科学家以及意大利、法国、俄罗斯等国科学家共同参与合作。

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

其观测基地由整个探测器阵列以及装配大厅、变配电站、水处理机房、标定室等设施组成。项目占地面积1.36平方公里,平均海拔4410米,距稻城亚丁机场10公里,距成都708公里,于2015年12月获得国家发改委批准立项,总投资约12亿元,建设工期预计4年。

高海拔宇宙线观测站将瞄准世纪难题——“宇宙线的起源”,开展高能物理和天文学、宇宙学等领域的前沿科学研究。建成后,它将跻身世界四大宇宙线研究中心之列,此前有南美的极高能宇宙线观测站、南极的中微子天文观测站、欧洲的伽马天文观测站。稻城高海拔宇宙线观测站相较国际同类装置,具有最高的高能伽马射线探测灵敏度、最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测、最宽广的宇宙线能量测量范围。

巡天灵敏度

略高于国际同类装置

 

4月26日,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测。高海拔宇宙线观测站的装置由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列等组成。

LHAASO首席科学家曹臻介绍,此次投入科学观测的探测器具体包括由900个探测单元组成的、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。

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

其中,水切伦科夫探测器阵列是LHAASO的主体阵列之一,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(1PB=1024上标3MB)以上的观测数据。本次投入观测的一号阵列,其巡天灵敏度略高于国际同类装置,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开展研究。

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,取得了多个重大发现,获得丰硕成果。此次LHAASO首批探测器投入科学观测,将促进与国际各类大型天文观测实验的合作研究。

选址天府新区

成立宇宙线研究中心

去年7月,天府新区成都管委会与中科院高能物理研究所就宇宙线物理研究与探测技术研发平台项目进行签约。根据签约协议,中科院高能物理研究所将在天府新区鹿溪智谷投资建设宇宙线物理研究与探测技术研究平台项目。未来,它将建设宇宙线研究实验室,开展国际领先的宇宙线物理研究,开发先进的探测技术和快电子学技术,开展相关技术的应用推广。

4月26日下午在LHAASO科学观测启动的同时,天府宇宙线研究中心也揭牌成立,该中心将提供宇宙线数据服务、实验室开放平台、人员交流及科学普及等功能。

“天府宇宙线研究中心主要有两个目的,一方面利用LHAASO的数据进行科学研究,另一方面进行探测器技术研发和储备,为将来的大科学装置和更高的科学目标做准备。”曹臻介绍,此项目占地面积约8000平方米,科研人员共100余人。“目前,项目处于可行性研究阶段。未来,将在四川地区形成整个中国的宇宙学宇宙线研究中心。”他说。

知识多一点

Q1

宇宙线究竟是什么啊?

宇宙中为什么会有宇宙线?

清华大学物理系天体物理中心教授崔伟介绍,宇宙线即宇宙射线(cosmic rays),是来自宇宙的高能粒子,以接近光速在宇宙中运行,从各个方向撞入地球。看具体构成,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。

根据公开资料,1912年,德国科学家韦克多·汉斯在乘气球升空测定空气电离度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,经过研究认定电流是来自地球以外一种穿透性极强的射线所产生,有人为之取名为“宇宙线”。

宇宙中为什么会有宇宙线?

“超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系之间的碰撞等激烈的宇宙事件,都可能产生高能粒子也就是宇宙线。”四川大学物理科学与技术学院研究人员介绍,目前相关机制还没有完全弄清,但“简单来说,就像你撕纸,纸张也会溅出一些微小到难以察觉的‘碎屑’。”

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

Q2

为什么要持续关注研究宇宙线?

它会改变我们的生活吗?

多位科学家都提到,研究宇宙线,是为了解读它传递的、关于宇宙的重要科学信息。

为什么它会携带关于宇宙的信息?这个问题不难,中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心副主任曹臻介绍,因为它们本身就是组成宇宙天体的物质成分。

那它们究竟携带了哪些信息?曹臻表示,总体而言至少携带了宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。这些信息又带来更多有待解决的谜题。

曹臻只举了一个例子,就已经足够让人着迷——

在《三体》等科幻作品中,常常提到一个概念“粒子对撞机”。它和与之相关的实验在现实中真实存在,是人类探索世界规律的、最前沿的科学实验之一。

用粒子对撞机,人类已经能够产生高能粒子。但科学家在观测宇宙线时惊讶的发现,宇宙线中的一些高能粒子,其能量远远超出人类所能达到的水平。“人类花了300亿美元还做不出的效果,观测宇宙线时发现宇宙中早就存在了。”曹臻追问,这么高能量是怎么产生的?背后是什么加速原理?这都超出了人类现有知识的边界。

“通过观测,我们希望能去知道问题答案,去学习加速机制,没准在未来,我们可以用到这种加速机制来产生更高能量的高能粒子。”曹臻介绍,目前全球最大的粒子加速器,有着长达27公里的环形隧道,“可能以后加速到同样效果,只要一张桌子大小的面积就够了。”

宇宙线研究,会改变我们生活吗?

“宇宙线研究属于基础研究,更多是认知宇宙规律、探寻‘是什么’‘为什么’,研究成果并不会直接作用于生活。”崔伟表示,但根据美国NASA等经验,为观测而研究的一些新技术,完全有可能转而为日常生活和产业发展做出贡献。

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首批探测器投入科学观测(2019年)

Q3

宇宙线会对人体造成影响吗?

会使人身体发生变异甚至成为“超人”吗?

宇宙线无时不刻从宇宙中进入地球,会对人体造成什么影响?会有伤害吗?

曹臻介绍,由于地球有大气层的保护,所以人类并不用担心——高能粒子的能量在穿过大气层的过程中,大部分都被吸收了。

但科学家也提到一个有趣的思想实验:如果没有大气层的话,宇宙线会对人造成怎样的影响?

“最高能量粒子打在人身上,就相当于费德勒这种顶尖网球手朝你脸上发球一样——那当然是非常疼的。”崔伟说,如果没有大气层,这还不是我们要最担心的,毕竟最高能量粒子落到地球,每平方公里一百年也才有一个。“但低能量的粒子很多,持续打在人身上,人也会受不了。”

另一个有趣的问题来自漫画或科幻作品,其中常常出现的桥段是宇宙线照射让人身体发生变异甚至成为“超人”,这会发生吗?曹臻的回答言简意赅,“不会”。

Q4

观测这件事到底有多难?

我们是怎么观测的?

观测宇宙线这件事能折腾人类上百年,显然不是一件容易事。

多位科学家提到,首先到达地球的宇宙线粒子就少之又少,能量越高的宇宙线也越稀少;其次不少粒子还被“污染了”,“不少宇宙线是带电粒子,在传播过程中就被宇宙中的磁场偏转了——也就是说它不是走直线,我们也就没有办法反推原初的方向信息,去推测它来自何方。”曹臻说。

崔伟说这也就是为什么观测站都有数量众多、类型各异的探测器。“有的善于捕捉高能粒子,有的善于捕捉低能粒子,彼此相互配合。我们希望得到的,是一张宇宙线能谱——从低能到高能,不同能量段分别有多少粒子。有了这么一张谱,就能从中分析出辐射机制等信息。”

weinxin
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