來自深空的浪漫！“拉索”和超高能光子細(xì)節(jié)大揭秘

公元1054年，北宋天象官目睹了宇宙中最震撼的景象：一顆超新星爆發(fā)。近千年后的2021年5月17日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）”記錄到1400萬億電子伏特（1.4PeV）的伽馬光子，這是人類迄今觀測(cè)到的最高能量光子。

人類首次在天鵝座區(qū)域發(fā)現(xiàn)能量超過千萬億電子伏特的伽馬光子（中科院高能物理所供圖）

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，其起源是一個(gè)前沿科學(xué)問題。以往觀測(cè)尚未發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)有將宇宙線加速到1PeV以上的天體。

在與“拉索”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻也分享了有關(guān)超高能光子和“拉索”的諸多細(xì)節(jié)。

“拉索”2021年8月航拍圖（中科院高能物理所供圖）

超高能光子與高科技美容技術(shù)“光子嫩膚”中的“光子”是否是同一種？

曹臻：這兩種光子本質(zhì)上講都是一樣的，但是用來照射皮膚的光子實(shí)際上能量非常低，而我們發(fā)現(xiàn)的是超高能的光子。

比如說，可見光就是能量比較低的光子，用這種光子照皮膚可能不會(huì)產(chǎn)生傷害，但如果能量再高一點(diǎn)，可見光就會(huì)變成紫外光，紫外光就會(huì)對(duì)皮膚造成傷害，所以如果用能量高的光子來照皮膚就不是嫩膚而是傷害了。

另外，假如說我們發(fā)現(xiàn)的這一顆超高能光子打到皮膚上，你一點(diǎn)反應(yīng)都不會(huì)有，但如果許許多多高能量的光子，一直打在皮膚上就會(huì)受不了了。

這種超高能光子是從哪里來的？

曹臻：我們發(fā)表在《自然》雜志上的那篇文章實(shí)際上報(bào)道了我們看到的12個(gè)方向上的源，我們判斷它基本上均勻地分布在銀河系范圍之內(nèi)，也就是說在銀河系里幾乎每個(gè)地方都可能同等概率地出現(xiàn)一些超高能的光子源，所以我們認(rèn)為，超高能光子在銀河系中到處都有。

但這些光子中，能量最高的那個(gè)光子來自于天鵝座這個(gè)方向。

科學(xué)家是怎么知道最高能量的光子是來自天鵝座的？

曹臻：“拉索”每時(shí)每刻都收到從天上下來信號(hào)，信號(hào)里有些是光子，有些是宇宙線粒子，我們會(huì)把宇宙線事例記錄下來，然后想辦法把超高能光子挑選出來。

這些光子跟宇宙線事例最大的差別就是，光子來自于一個(gè)確定方向，在飛的過程中不會(huì)受磁場(chǎng)影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

我們把這些光子挑出來之后，就可以按照它的方向?qū)?yīng)到天球坐標(biāo)系里，然后就知道這個(gè)光子來自于天鵝座。

北美洲天鵝座的星云。

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

《三體》里提到，光子是外星人比較低端的武器中的一種，那么，科學(xué)家看到的這個(gè)超高能光子有沒有可能是外星人向地球發(fā)出的武器？

曹臻：首先，人為產(chǎn)生一個(gè)高能量光子是非常困難的。

我們發(fā)現(xiàn)，在我們現(xiàn)在記錄到的各種能量的光子中，能量越高的光子數(shù)量越少。

少到什么程度呢？大概能量每上升10倍，光子的數(shù)目就會(huì)下降1000倍，這說明產(chǎn)生一個(gè)高能量粒子比產(chǎn)生一個(gè)低能量粒子費(fèi)的勁要大得多，另外，我們地球有很好的保護(hù)層——大氣層，海拔低的地方大氣層足夠厚，會(huì)把這些粒子都吸收掉。

因此，如果要生產(chǎn)這么高能量的粒子打過來的話，實(shí)際上是得不償失的。

用這種光子做武器來攻擊地球是一個(gè)很笨的辦法，他們（外星人）絕對(duì)不會(huì)這么干。

這個(gè)超高能光子中有沒有什么異常信息？科學(xué)家為什么要找這種光子？

曹臻：我們現(xiàn)在最大的困惑是它怎么產(chǎn)生出來的。

因?yàn)槲覀冊(cè)诘厍蛏辖撕芏嗪艽蟮募铀倨?，比如說歐洲核子中心建了27公里長(zhǎng)的管道來給粒子加速，他們能加速到的最高能量只有我們看到的這個(gè)超高能光子能量的10萬分之一左右。

人類建了這么大的加速器，粒子的能量都加不上去，那天外飛來的這個(gè)超高能光子是怎么被加速到這么高能量的呢？

當(dāng)然，相比于外星人武器，我們現(xiàn)在更傾向于認(rèn)為它是自然現(xiàn)象。因此，我們建立了各種各樣的模型，去理解大自然的超高能加速器是怎樣工作的。

“拉索”為什么一定要跑到海拔4410米的地方去追光？

曹臻：大氣層對(duì)人類來說是非常重要的保護(hù)層，可以保護(hù)我們免受高能粒子的攻擊。

反過來，這對(duì)我們觀測(cè)就很不利，所以我們要把探測(cè)器要放到很高的地方去。

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

“拉索”有沒有可能向公眾開放？

曹臻：當(dāng)然。這里會(huì)逐漸變成一個(gè)對(duì)公眾開放的科普基地，我們歡迎大家去參觀。

我們也正在規(guī)劃一個(gè)觀景平臺(tái)，從那里可以看到“拉索”的全貌。

如果公眾對(duì)“拉索”真的感興趣，也可以聯(lián)系我們，深入到里面去，我們的探測(cè)器旁邊有科普介紹。

“拉索”團(tuán)隊(duì)的規(guī)模有多大？

曹臻：建設(shè)期間，我們一共有十幾個(gè)合作單位，大概有100多個(gè)人，年輕的研究生們是非常重要的主力。

通過對(duì)探測(cè)器的制作和安裝，他們能了解這個(gè)探測(cè)器是怎么工作的，在將來的數(shù)據(jù)分析中，他們也能理解探測(cè)器的哪些方面會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生怎樣的影響。

我們還成立了有275人的科學(xué)合作組，這些人來自6個(gè)國(guó)家，以中國(guó)科學(xué)家居多，這支隊(duì)伍也是一支相當(dāng)年輕的隊(duì)伍，現(xiàn)在做工作最得力、成果產(chǎn)出最快的當(dāng)然也是這些年輕人。

在建設(shè)期間，年輕人的付出是很大的，我們?cè)谏缴献铋L(zhǎng)會(huì)待七八個(gè)月，我有一個(gè)小同事，談戀愛的時(shí)候就經(jīng)常會(huì)碰見困擾，上了一次山回來女朋友就“吹了”，但是任務(wù)來了的時(shí)候，該去還會(huì)去。

“拉索”現(xiàn)在在做些什么？對(duì)于年輕人有怎樣的建議？

曹臻：現(xiàn)在“拉索”已經(jīng)建成了，年輕人不用在山上長(zhǎng)期工作，只需要偶爾上山維護(hù)一下探測(cè)器。

現(xiàn)在，我們更重要的事就是做數(shù)據(jù)分析，潛下心來產(chǎn)出科學(xué)成果。

對(duì)于年輕人來說，只要敢想，只要能夠靜下心去做，“拉索”是一定會(huì)為他們提供給機(jī)會(huì)。

延伸閱讀： “拉索” 的前世今生

“拉索” 是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其位于四川省甘孜州稻城縣海子山的海拔 4410 米處。

它是 “十二五” 期間啟動(dòng)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是捕捉宇宙線粒子這一 “天外來客” 的神器，更有助于破解 “新世紀(jì)科學(xué)研究的世紀(jì)謎題”。

宇宙線粒子，是來自宇宙空間的高能粒子。受到大氣層的保護(hù)作用，在穿過大氣層的過程中，大部分高能粒子的能量都會(huì)被吸收掉，正因此人類無法感受到人體感知宇宙線粒子的到訪。

雖然無法被感受到，但卻非常重要。宇宙線粒子是來自外太空的唯一物質(zhì)樣品，其攜帶著天體演化和宇宙早期的奧秘，被學(xué)界認(rèn)為是傳遞 “宇宙大事件” 的信使、以及發(fā)現(xiàn) “宇宙加速器” 的探針。

人類從最初研究宇宙線高能粒子，迄今已有一百多年，期間誕生了 5 位諾貝爾獎(jiǎng)得主，但人類始終未能解釋宇宙線高能粒子的起源、以及加速機(jī)制。美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)甚至將其列為 “新世紀(jì)科學(xué)研究的 11 個(gè)世紀(jì)謎題” 之一。

2008 年，中國(guó)科學(xué)家開啟了建設(shè)“拉索”的前期預(yù)研，通過在中國(guó)高海拔地區(qū)進(jìn)行的廣泛選址和實(shí)地踏勘調(diào)研，稻城縣海子山平均海拔為 4410 米的高地，成為觀測(cè)站的站址。

綜合來源：新華網(wǎng)、中國(guó)科學(xué)報(bào)、科技日?qǐng)?bào)等