又一天文大科学装置开工 中国挑战宇宙线起源之谜

2016-08-03 来源:观察者网 我要评论(0) 字号:

又一天文大科学装置开工 中国挑战宇宙线起源之谜

“高海拔宇宙线观测站”设计图

又一天文大科学装置开工 中国挑战宇宙线起源之谜

据新华社报道,2016年7月,我国最新天文大科学装置——“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)项目在四川省稻城县海子山开始基础设施建设,预计5年内建成。

香港《南华早报》网站8月1日关注了这个世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。报道称,科学家打算修建一个容积超过北京“水立方”两倍的水池,希望捕获来自遥远深空的神秘粒子,借此取得一系列研究成果,比如证明爱因斯坦的宇宙理论有错误。

挑战宇宙前沿理论 《自然》称中国不再只是“新星”

携带着宇宙起源、天体演化、地球空间环境等科学信息的宇宙线,是来自宇宙空间的高能粒子流。但宇宙线发现100多年来,源头从未被找到。高海拔宇宙线观测站项目的核心目标,就是找到宇宙线起源,向这一“世纪之谜”发起冲击。

LHAASO项目首席科学家曹臻说,“理论上讲,我们的装置应该能找到宇宙线的起源。另外,如此大型的探测装置,还可能有很多意想不到的发现,比如发现高能量的伽玛暴,挑战爱因斯坦的相对论、经典引力理论等基本物理问题。”

预算高达12亿元人民币的“高海拔宇宙线观测站”,只是中国2012-2030年优先规划的16项重大科技基础设施之一。

《南华早报》也注意到,近年来中国的大规模硬件项目进展迅速,世界最大的射电望远镜已在贵州完工,世界首颗量子卫星即将升空,而政府还在考虑更加宏伟的项目,比如世界最大的粒子对撞机以及载人火星探测工程。

中国去年的研发经费投入总量相当于国内生产总值的2%以上,研发投入规模在全球仅次于美国。

英国著名科学刊物《自然》每四年评选一次全球科研“新星”,列出那些在科研领域迅速崛起的国家。最新榜单上有印度、波兰和沙特阿拉伯,但中国首次“落选”了。

《自然》杂志表示,“中国在高质量研究产出方面的突出增长已经成为常态,所以我们不再将中国视为新星”。

宇宙线:记录宇宙大事件的“陨石”

据新华每日电讯报道,宇宙线又称宇宙射线,是来自宇宙空间的高能粒子流。从成分看,宇宙线粒子的组成中质子约占90%,氦原子核(阿尔法粒子)占9%,其余是重原子核、电子以及少量反物质粒子。这些粒子,基本上以接近光速运动传播。

“天文学的传统研究对象大多是电磁波,但是宇宙线,却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。他解释说,光以及其他电磁波,是一系列天体事件发生时相伴而生的“信号”,人类研究这些“信号”,进而对物质的性质展开推断。而宇宙线,是组成物质本身的粒子直接传播到地球。这就好比用望远镜观测月球、和去到月球表面取回样品来研究的区别,宇宙线中包含着许多电磁波无法传递的信息,也正因此,科学家将其形象地称为“宇宙陨石”,视之为传递“宇宙大事件”的“信使”。

自20世纪初以来,人类对宇宙线的探索从未中断。1912年,奥地利物理学家赫斯(Hess)乘坐热气球在空气电离实验中首次发现了宇宙线。此后100多年间,各国科学家又多次在热气球、地表、甚至卫星上安装探测器,试图进一步揭示宇宙线的奥秘。

“但是相对电磁波来说,宇宙线的研究更加困难。宇宙线是带电粒子,碰到宇宙中无处不在的磁场就会发生偏转,这给寻找其起源的科研工作带来很大难度。”高海拔宇宙线观测站项目科学组成员、南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉举例说,比如光是直线传播的,所以我们观测到太阳光就能知道太阳所在的方向。但是宇宙线可能在电场、磁场中发生了很多次方向偏转,无法推测来源方位。此外,宇宙线进入大气层以后还会与其中原子核碰撞、被大量吸收,因此大部分原初宇宙线在地球表面已经无法观察了。

为了克服这些困难,科学家不断进行尝试。50年代以前,科学家多利用“云雾室”——一种充满饱和蒸汽的设备——结合照相机来成像宇宙线粒子经过形成的径迹。这种方法只能研究宇宙线粒子在空气中相互作用后产生的次级粒子。为了能够研究原初宇宙线自身以及相关的天文学问题,人们又发明了间接探测方法,通过在地表布设探测器阵列,全面捕捉宇宙线与大气作用后到达地面的次级粒子,以此反推宇宙线本身的性质。

“从1956年建立云南落雪山宇宙线站起,我国也一直积极推进宇宙线研究。现在,位于我国西藏羊八井的国际宇宙线观测站已成为重要的宇宙线观测窗口,去年发射升空的暗物质卫星‘悟空’,也载有极高能量分辨率的高能宇宙线粒子的探测装置,随着科技发展,人类对宇宙线的探索也会不断前进。”王祥玉说。

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