中國觀測站開建：3個(gè)世界之最 助研究外星生命

高海拔宇宙線觀測站整體布局效果圖

廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列

地面簇射粒子陣列

我國最新天文大科學(xué)裝置——高海拔宇宙線觀測站(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)目集合了國內(nèi)20多個(gè)科研院校的百余名科學(xué)家，法國、意大利、瑞典等國也擬加入該項(xiàng)目國際合作組。

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’。”高海拔宇宙線觀測站項(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、它們在宇宙中運(yùn)行的時(shí)間和距離等特性會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)。”曹臻說，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條件：高海拔、靠近機(jī)場、穩(wěn)定的電力和通訊條件，以及充足的水資源。”目前探測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，國際上能夠與海子山觀測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站、南極中微子天文臺和智利契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列。海子山觀測站的優(yōu)勢集中在寬視場的全天普查和高能區(qū)的精確測量。

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。“如果最終找到宇宙線的起源位置，或許就會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方面

靈敏度世界第一

三類探測器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量

測量范圍世界最廣

三大組成部分 不會破壞海子山景觀

曹臻介紹，LHAASO探測陣列由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)閃爍體探測器按邊長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)繆子探測器，用于探測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量。這三類探測器彼此聯(lián)動，組成巨大的復(fù)合探測裝置。

“這些裝置修建好后，將埋在地下，地面上將被恢復(fù)成原樣。”李昆鵬稱，不會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方面，靈敏度世界第一;三是三類探測器復(fù)合，覆蓋的宇宙線能量測量范圍世界最廣。

“利用如此精心布置的大型探測裝置，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)。”曹臻說，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，精確測量膝區(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量，建成國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)目將使我國籌建中的高海拔宇宙線觀測站成為世界上四大宇宙線研究基地之一，使我國在這一領(lǐng)域的研究躋身于國際領(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)，會有大氣層阻擋住部分輻射，但射線流很可能對空中交通產(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。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)。

針對以上說法，李昆鵬表示，現(xiàn)在對宇宙線所知甚少，不排除有這些可能，但需要不斷求證。