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来自深空的浪漫!“拉索”和超高能光子细节大揭秘

作者:转载     发布时间:2022-1-25 点击数:587

 

公元1054年,北宋天象官目睹了宇宙中最震撼的景象:****一颗超新星爆发。近千年后的2021年5月17日,国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”记录到1400万亿电子伏特(1.4PeV)的伽马光子,这是人类迄今观测到的最高能量光子。

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人类首次在天鹅座区域发现能量超过千万亿电子伏特的伽马光子(中科院高能物理所供图)

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,其起源是一个前沿科学问题。以往观测尚未发现银河系内有将宇宙线加速到1PeV以上的天体。

在与“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻也分享了有关超高能光子和“拉索”的诸多细节。

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“拉索”2021年8月航拍图(中科院高能物理所供图)

超高能光子与高科技美容技术“光子嫩肤”中的“光子”是否是同一种?

曹臻:这两种光子本质上讲都是一样的,但是用来照射皮肤的光子实际上能量非常低,而我们发现的是超高能的光子。

比如说,可见光就是能量比较低的光子,用这种光子照皮肤可能不会产生伤害,但如果能量再高一点,可见光就会变成紫外光,紫外光就会对皮肤造成伤害,所以如果用能量高的光子来照皮肤就不是嫩肤而是伤害了。

另外,假如说我们发现的这一颗超高能光子打到皮肤上,你一点反应都不会有,但如果许许多多高能量的光子,一直打在皮肤上就会受不了了。

这种超高能光子是从哪里来的?

曹臻:我们发表在《自然》杂志上的那篇文章实际上报道了我们看到的12个方向上的源,我们判断它基本上均匀地分布在银河系范围之内,也就是说在银河系里几乎每个地方都可能同等概率地出现一些超高能的光子源,所以我们认为,超高能光子在银河系中到处都有。

但这些光子中,能量最高的那个光子来自于天鹅座这个方向。

科学家是怎么知道最高能量的光子是来自天鹅座的?

曹臻:“拉索”每时每刻都收到从天上下来信号,信号里有些是光子,有些是宇宙线粒子,我们会把宇宙线事例记录下来,然后想办法把超高能光子挑选出来。

这些光子跟宇宙线事例最大的差别就是,光子来自于一个确定方向,在飞的过程中不会受磁场影响而发生偏转。

我们把这些光子挑出来之后,就可以按照它的方向对应到天球坐标系里,然后就知道这个光子来自于天鹅座。

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北美洲天鹅座的星云。

图片来源:图虫创意

《三体》里提到,光子是外星人比较低端的武器中的一种,那么,科学家看到的这个超高能光子有没有可能是外星人向地球发出的武器?

曹臻:首先,人为产生一个高能量光子是非常困难的。

我们发现,在我们现在记录到的各种能量的光子中,能量越高的光子数量越少。

少到什么程度呢?大概能量每上升10倍,光子的数目就会下降1000倍,这说明产生一个高能量粒子比产生一个低能量粒子费的劲要大得多,另外,我们地球有很好的保护层——大气层,海拔低的地方大气层足够厚,会把这些粒子都吸收掉。

因此,如果要生产这么高能量的粒子打过来的话,实际上是得不偿失的。

用这种光子做武器来攻击地球是一个很笨的办法,他们(外星人)绝对不会这么干。

这个超高能光子中有没有什么异常信息?科学家为什么要找这种光子?

曹臻:我们现在最大的困惑是它怎么产生出来的。

因为我们在地球上建了很多很大的加速器,比如说欧洲核子中心建了27公里长的管道来给粒子加速,他们能加速到的最高能量只有我们看到的这个超高能光子能量的10万分之一左右。

人类建了这么大的加速器,粒子的能量都加不上去,那天外飞来的这个超高能光子是怎么被加速到这么高能量的呢?

当然,相比于外星人武器,我们现在更倾向于认为它是自然现象。因此,我们建立了各种各样的模型,去理解大自然的超高能加速器是怎样工作的。

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“拉索”为什么一定要跑到海拔4410米的地方去追光?

曹臻:大气层对人类来说是非常重要的保护层,可以保护我们免受高能粒子的攻击。

反过来,这对我们观测就很不利,所以我们要把探测器要放到很高的地方去。

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图片来源:图虫创意

“拉索”有没有可能向公众开放?

曹臻:当然。这里会逐渐变成一个对公众开放的科普基地,我们欢迎大家去参观。

我们也正在规划一个观景平台,从那里可以看到“拉索”的全貌。

如果公众对“拉索”真的感兴趣,也可以联系我们,深入到里面去,我们的探测器旁边有科普介绍。

“拉索”团队的规模有多大?

曹臻:建设期间,我们一共有十几个合作单位,大概有100多个人,年轻的研究生们是非常重要的主力。

通过对探测器的制作和安装,他们能了解这个探测器是怎么工作的,在将来的数据分析中,他们也能理解探测器的哪些方面会对数据分析产生怎样的影响。

我们还成立了有275人的科学合作组,这些人来自6个国家,以中国科学家居多,这支队伍也是一支相当年轻的队伍,现在做工作最得力、成果产出最快的当然也是这些年轻人。

在建设期间,年轻人的付出是很大的,我们在山上最长会待七八个月,我有一个小同事,谈恋爱的时候就经常会碰见困扰,上了一次山回来女朋友就“吹了”,但是任务来了的时候,该去还会去。

“拉索”现在在做些什么?对于年轻人有怎样的建议?

曹臻:现在“拉索”已经建成了,年轻人不用在山上长期工作,只需要偶尔上山维护一下探测器。

现在,我们更重要的事就是做数据分析,潜下心来产出科学成果。

对于年轻人来说,只要敢想,只要能够静下心去做,“拉索”是一定会为他们提供给机会。

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延伸阅读: “拉索” 的前世今生

“拉索” 是国家重大科技基础设施,其位于四川省甘孜州稻城县海子山的海拔 4410 米处。

它是 “十二五” 期间启动的国家重大科技基础设施项目,也是捕捉宇宙线粒子这一 “天外来客” 的神器,更有助于破解 “新世纪科学研究的世纪谜题”。

宇宙线粒子,是来自宇宙空间的高能粒子。受到大气层的保护作用,在穿过大气层的过程中,大部分高能粒子的能量都会被吸收掉,正因此人类无法感受到人体感知宇宙线粒子的到访。

虽然无法被感受到,但却非常重要。宇宙线粒子是来自外太空的唯一物质样品,其携带着天体演化和宇宙早期的奥秘,被学界认为是传递 “宇宙大事件” 的信使、以及发现 “宇宙加速器” 的探针。

人类从最初研究宇宙线高能粒子,迄今已有一百多年,期间诞生了 5 位诺贝尔奖得主,但人类始终未能解释宇宙线高能粒子的起源、以及加速机制。美国国家科学技术委员会甚至将其列为 “新世纪科学研究的 11 个世纪谜题” 之一。

2008 年,中国科学家开启了建设“拉索”的前期预研,通过在中国高海拔地区进行的广泛选址和实地踏勘调研,稻城县海子山平均海拔为 4410 米的高地,成为观测站的站址。

综合来源:新华网、中国科学报、科技日报等


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