拉索：叩問宇宙，揭開“世紀之謎”

在浩渺無垠的太空深處，存在著大量來自宇宙空間的高能粒子，它攜帶著物理學(xué)家終其一生渴望揭開的關(guān)于宇宙中遙遠星體的奧秘，以接近光速的速度飛行，像雨點一樣散落在地球上，留下來自宇宙的蛛絲馬跡。

為了收集“宇宙線雨”，探究宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，中國科學(xué)院高能物理研究所在四川省甘孜州稻城縣平均海拔4410米的海子山上，修建了以宇宙線觀測研究為核心的大型高海拔宇宙線觀測站：LHAASO（Large High Altitude Air Shower Observatory），譯為“拉索”，在藏語中，拉索主要用作敬語，表示好事的發(fā)生或勝利?！?018年，拉索開始建設(shè)，2023年5月順利通過國家驗收，投入正式運行，再加上前期的預(yù)先研究，至今這個項目已持續(xù)了十多年?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所副研究員、拉索合作組成員李驄說。

十多年的運行期間，拉索誕生了一系列突破性科研成果。2024年，一項來自拉索的成果再次震驚科研界。學(xué)家利用拉索在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，并從中找到了能量高于1億億電子伏宇宙線起源的候選天體。這是迄今人類能夠定位的第一個超級宇宙線加速源。相關(guān)成果于2月26日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報》以封面文章形式發(fā)表。國際公認，至少未來10年的超高能伽馬射線天文學(xué)研究屬于中國的拉索。

探秘宇宙線

天高地迥，覺宇宙之無窮。宇宙中的奧秘那么多，我們?yōu)槭裁匆芯坑钪婢€？

宇宙線又被稱作“銀河隕石”，或者叫作傳遞宇宙大事件的“信使”，主要由氫核、氦核、鐵核等多種元素的原子核組成，并包括少量正負電子，是人類目前能從宇宙深處獲得的唯一物質(zhì)樣本。

1912年，宇宙線被奧地利科學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)。110多年來，宇宙線相關(guān)探索研究已產(chǎn)生數(shù)枚諾貝爾獎牌，但依然有眾多謎題待解，宇宙線起源被國際物理學(xué)界列為“新世紀11個科學(xué)問題”之一。“多年來，人類發(fā)明了對撞機這一現(xiàn)代科學(xué)中最龐大、最先進的實驗設(shè)備之一，利用它人類可以加速帶電粒子，但是宇宙線的能量其實比人類發(fā)明的加速器加速的粒子能量要高很多，可能上億倍或者更高量級。”李驄說。

宇宙線為何這么難以捕捉？

事實上，高能宇宙線的能量跨度為109～1020電子伏特，能量越高的宇宙線，代表著越劇烈的宇宙活動。但是，能量越高的宇宙線就越稀少?！按送猓覀兊你y河系中存在磁場，宇宙線多為帶電粒子，受到磁場的影響，它們在傳輸?shù)降厍虻倪^程中會有所偏轉(zhuǎn)，等到達地球時早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。”李驄解釋說。

盡管尋找宇宙線來源困難重重，但中國的科學(xué)家從未放棄努力。

從羊八井到海子山

時間追溯到2008年。

這一年，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻接到通知：國家在開展“十二五”大科學(xué)裝置規(guī)劃，你們可以考慮提出一個大的宇宙線項目。

雖然我國的宇宙線研究早在1949年就已經(jīng)開始，但直到20世紀70年代，實驗室才進入“可用的狀態(tài)”。20世紀80年代，留學(xué)日本的中國科學(xué)院高能物理研究所研究員譚有恒在見到日本先進的綜合性空氣簇射陣列后，產(chǎn)生了在中國建設(shè)世界級宇宙線觀測基地的想法。1989年，譚有恒等人提出在西藏建立第一代伽馬天文學(xué)探測基地——羊八井宇宙線國際觀測站。自此，我國開始在西藏羊八井國際宇宙線觀測站與日本的合作，但因為當(dāng)時我國科學(xué)技術(shù)水平不足，整個研究幾乎被日方主導(dǎo)。

為了打破國外的技術(shù)限制，打造屬于中國的以宇宙線觀測研究為核心的大科學(xué)裝置，2009年中國科學(xué)院高能物理研究所提出建設(shè)大型高海拔宇宙線觀測站——拉索?！?012年，我還在云南大學(xué)讀大四的時候，就有幸接觸到了拉索項目并開始參與繆子探測器的預(yù)先研究工作，之后2013年我來到中國科學(xué)院高能物理研究所，師從拉索項目副經(jīng)理兼總工藝師何會海研究員從事科研工作，并正式加入拉索合作組。”李驄說。

2018年，拉索開始正式投入建設(shè)。彼時，27歲的李驄作為繆子探測器現(xiàn)場安裝組的組長，帶領(lǐng)一支小團隊幾乎每年都要花費兩到三個月的時間，前往現(xiàn)場參與相關(guān)工程實踐?！白铋_始的時候，我們主要在西藏羊八井測試單個探測器的性能，后邊單個探測器沒有問題了，就會去四川稻城海子山進行批量安裝。”

海子山為雅礱江和金沙江的分水嶺，系橫斷山脈—沙魯里山脈山峰，平均海拔為4410米。那里地貌復(fù)雜，高寒缺氧，每當(dāng)上山進行探測器安裝時，團隊成員都要經(jīng)受難以承受的身體和精神煎熬?！?018年我們上山安裝時，就遇到了現(xiàn)場信號與預(yù)期不符的問題。由于當(dāng)時已經(jīng)是10月，工期又比較緊，我們必須抓緊一切時間投入工作，早上九十點上山，晚上10點左右可能還沒下來，天氣不好遇到大雪封山更是家常便飯，就這樣連續(xù)奮戰(zhàn)了一個月，終于把問題解決了?！崩铗嬚f。

如今，拉索這個以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施矗立在海子山上，為世界矚目。

從高空俯瞰，拉索像是一枚外圓內(nèi)方的“銅錢”。中間主體建筑像一個“品”字，主要由78000平方米的水切倫科夫探測器陣列組成，是世界上面積最大的人工水體探測器，相當(dāng)于6個足球場大小，其純凈水體為35萬噸，相當(dāng)于190個標準泳池水量。圍繞著“品”字，有1188個土堆，這是繆子探測器。土堆空隙處，點綴著5216個電磁粒子探測器，為防日曬雨淋，上面罩著白布或綠布；在這片廣袤場地的一角，還有18臺廣角切倫科夫望遠鏡時刻進行著宇宙觀測。

“拉索”從建設(shè)期間就開展觀測，之后的成果涌現(xiàn)與技術(shù)突破猶如“雨后春筍”。

2021年5月17日，拉索國際合作組在《自然》發(fā)表成果。他們在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，推翻了曾經(jīng)被廣為認可的“能量截斷”，由此開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。

不到兩個月后，他們又在《科學(xué)》雜志上發(fā)表成果，精確測量高能天文學(xué)標準燭光的亮度，挑戰(zhàn)高能天體物理中電子加速的“標準模型”。

2023年6月9日，拉索對命名為GRB 221009A的迄今最亮伽馬射線暴的最新觀測研究成果，在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志，首次完整記錄了大質(zhì)量恒星死亡瞬間萬億電子伏特伽馬射線爆發(fā)全過程。多年來，拉索不斷用它的科研成果將世界征服。

從落后到領(lǐng)跑

曾幾何時，拉索建設(shè)之初并不受世界矚目。拉索項目組成員在參加一些國際會議時，國際同行基本上都持有一種懷疑的態(tài)度，不相信中國能夠成功建成這一世界級科研項目。然而，中國拉索合作組成員，用行動和實力證明了我國科研技術(shù)發(fā)展水平。“拉索建成之后，我們再去國外作報告，發(fā)現(xiàn)大家的態(tài)度就不一樣了，從開始的質(zhì)疑、懷疑到慢慢比較認可、期待，都與我國科研人員十幾載的奮斗與努力脫不開關(guān)系?！崩铗嬚f。

現(xiàn)如今的拉索與世界同類裝置相比，它海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最強。目前，“拉索”面向國內(nèi)外全面開放共享，已有28個天體物理研究機構(gòu)成為其國際合作組成員單位。未來，拉索還將在包括宇宙線起源、伽馬暴、伽馬射線暴及黑洞物理等領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，將我國的天體物理發(fā)展推向新的高度。

大國競爭，是科學(xué)技術(shù)的競爭。如今，中國的拉索已經(jīng)成為世界各國競相超越的目標?！拔磥?，歐洲和美國要在南半球建設(shè)一個跟拉索類似的實驗裝置，我們面臨的挑戰(zhàn)還有很多?！崩铗嬚f。今后，隨著更多新生力量加入拉索合作組，他相信中國在天體物理領(lǐng)域還有更大突破，中國科學(xué)家與宇宙線之間的故事還將未完待續(xù)。