在高点接收“天外问候”——揭秘探索宇宙线起源的十八般兵器

         从12月11日至12日在上海举行的第8届高海拔宇宙线探测研讨会上，记者获悉，中国天文大科学装置——高海拔宇宙线观测站项目进入集中建设期。
         宇宙线，携带着宇宙起源、天体演化和太阳活动等宇观信息，是一种宝贵的科学资源。它的“出生地”是哪里，为什么带着这么高的能量，人类能不能解开这个困扰百年的“世纪之谜”？来听听这群“追信号的人”，揭秘宇宙线探索的“十八般兵器”。
“天外来客”的出生地在哪里？
         宇宙线又称宇宙射线，是来自宇宙空间的高能粒子流。“天文学的传统研究手段大多是电磁波，但宇宙线是人类目前能够从宇宙深处获得的唯一物质样本。”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻说。
         宇宙线是组成物质本身的粒子直接传播到地球，包含着许多电磁波无法传递的信息，被形象地称为“宇宙陨石”。1912年被发现后，与之相关的研究已经获得数个诺贝尔奖，但迄今为止人类仍未发现其起源。
         南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉介绍，科学家已经发现，超新星遗迹、星暴星系、银河系中心的超大质量黑洞等，都具有产生宇宙线的条件，但究竟哪一个是其“出生地”还不得而知。
         上海天文台研究员王仲翔一直在研究银河系内的宇宙线。他举例说，宇宙线是穿越历史的“信使”。公元1006年宋朝期间，曾有一颗超新星闪耀天空，亮度最强时白天可见；1000多年后，科学家们仍在研究这颗超新星遗迹中快速移动的粒子会不会是宇宙线的前身，解答“来自宋朝的问候”。
         科学家们介绍，人类已经有办法加速粒子，然而宇宙线粒子的最高能量，相当于人类用加速器产生的最高能量粒子的10亿倍。曹臻说，利用目前的加速能量，我们已经发现了描述世界物质构成的“标准模型”中所有的基本粒子，包括新近发现的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理现象，就必须依赖更高的加速办法。探索高能宇宙线的起源是一个可能获得突破的方向。
“多信使”时代观测的“十八般兵器”有哪些？
         曾有人形象地比喻：每过一分钟，才约有一个宇宙线穿过一枚硬币大小的面积，这一肉眼看不见的“天外来客”，如何精准捕捉？曹臻说，可以“下海”，在水底安装中微子望远镜；可以“上山”，在高海拔搭建观测站；也可以“上天”，用粒子探测卫星寻找。
         “宇宙线的研究非常困难。宇宙线是带电粒子，碰到宇宙中无处不在的磁场就会偏转。科学家尽量选择光子和中微子作为研究对象，作为宇宙射线的伴生物，这两种粒子是沿直线传播的，比较易于用来回溯到产生地。”王祥玉说。
         俄国高能天体物理学家詹·阿里是超高能中微子实验“G吨体积探测器”项目的负责人。他所采用的方法，是通过置放于贝加尔湖下1300米的多个探测器，接收宇宙线中微子信号。
         詹·阿里介绍，冬天贝加尔湖的冰层大约在60-90厘米厚，有时能达120厘米。科学家驾车在冰层上打洞，用锚链将探测器坠到湖里，布置在750米至1300米深处；探测到的信号会通过电缆传到位于水下30米左右的汇集器，再经过湖底电缆传输到3公里远的岸边数据中心。
         美国高能天体物理学家韦恩·施普林格则是将300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上，形成高海拔水基切伦科夫伽马射线天文台，每24小时能看到2/3的天空。“30万年前，名为‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脉冲星，其粒子流还在来访。”
         日本东京大学教授丰岛正弘是在位于海拔2200米的西班牙拉帕尔玛岛，利用两架名为“魔术”的切伦科夫望远镜观测，目前可以观测200多个高能伽马射线源。
“高海拔宇宙线观测站”会带来什么期待？
         2016年7月，“高海拔宇宙线观测站”在四川省稻城县海拔4410米的海子山开始基础设施建设，预计5年内建成。“高海拔宇宙线观测站项目集合了三个世界之最。”项目硬件总负责人何会海说，一是在1万亿电子伏特附近的甚高能伽马射线巡天探测方面，灵敏度世界第一；二是100万亿电子伏特附近的高能伽马射线探测方面，灵敏度世界第一；三是三类探测器复合，覆盖的宇宙线能量测量范围世界最广。
         据介绍，目前宇宙线最高能量的粒子，已经被着眼于极高能量的FLYSEYE、AUGER等实验所观测到。而“高海拔宇宙线观测站”的目标，是希望通过更高标准的探测器主体，寻找从未被接收到的“最高能量光子”，向宇宙线起源这一终极命题发起挑战。
         AUGER实验法方负责人、极高能宇宙线物理学家蒂娜说，“高海拔宇宙线观测站”国际合作条件已经成熟，会为极高能宇宙线的探测提供新的“信使”。
         “美国的国际空间站到2024年就会结束运行了，希望我国的空间站能接上接力棒；期待‘高海拔宇宙线观测站’能找到宇宙线的源天体，打开深入研究的窗口，为国际提供揭开谜题的钥匙。”中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南说。