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中国观测站开建:3个世界之最 助研究外星生命

时间:2016年08月09日 信息来源:成都商报 点击: 【字体:

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高海拔宇宙线观测站整体布局效果图


 


广角契伦科夫望远镜阵列


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地面簇射粒子阵列


我国最新天文大科学装置——高海拔宇宙线观测站(LHAASO,音译为“拉锁”)项目7月在海拔4410米的四川省稻城县海子山开始基础设施建设。项目由国家发改委于2015年12月31日批准立项,预算12亿元,预计5年内建成。建成后,有望向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。目前LHAASO项目集合了国内20多个科研院校的百余名科学家,法国、意大利、瑞典等国也拟加入该项目国际合作组。


项目负责人李昆鹏透露,这是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。科学家希望借此捕获来自遥远深空的神秘粒子,取得一系列研究成果,比如,“如果最终找到宇宙线的起源位置,或许就会知道宇宙究竟从何而来。”


宇宙线是什么 来自宇宙的高能粒子


宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,“是人类目前能够从宇宙深处获得的唯一物质样本,宇宙线作为我们与浩瀚星空沟通的‘信使’。”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介绍,宇宙线及其起源是人类探索宇宙及其演化的重要途径,自1912年宇宙线被发现以来,与之相关的研究已经获得了数枚诺贝尔奖牌,但人类始终没有发现宇宙线的起源,这成为困扰人类的“世纪之谜”,在21世纪重大科学问题中位列第五。LHAASO项目正是瞄准宇宙线起源这一重大科学难题而提出的。


宇宙线的成分中含量最高的是质子,其次是从氦核到铁核等多种原子核,以及少量的光子、电子和中微子。


“虽然还不清楚宇宙线的成因,但是科学家发现,宇宙线的寿命、它们在宇宙中运行的时间和距离等特性会随着宇宙的演化而演化。通过分析宇宙线的基本性质,我们可以得到关于整个宇宙演化过程的一些证据。”曹臻说,如果找到宇宙线的起源位置,人们就能进而分析整个宇宙的演化。


为何选海子山 海拔高及水资源充足


项目的预先研究从2008年开始,科研人员在我国高海拔地区进行了广泛选址,最终于2014年选定稻城海子山。曹臻说:“稻城县拥有极佳的观测条件:高海拔、靠近机场、稳定的电力和通讯条件,以及充足的水资源。”目前探测器的自主研制也已经完成,并在西藏羊八井开展了小规模试验。


目前,国际上能够与海子山观测站比肩的探究宇宙线大型科学装置,只有阿根廷极高能宇宙线观测站、南极中微子天文台和智利契伦科夫望远镜阵列。海子山观测站的优势集中在宽视场的全天普查和高能区的精确测量。


项目建成后,有望向宇宙线起源这一世纪之谜发起冲击。“如果最终找到宇宙线的起源位置,或许就会知道宇宙究竟从何而来”


3个世界之最


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


100万亿电子伏特附近的高能段伽马射线探测方面


灵敏度世界第一


三类探测器复合,覆盖的宇宙线能量


测量范围世界最广


三大组成部分 不会破坏海子山景观


曹臻介绍,LHAASO探测阵列由3个主要的部分组成:首先是一个深5米、占地8万平方米的水池,这个完全密封、一片漆黑、面积有两个半北京“水立方”大小的水池,布满3000个左右的测量单元,能够收集到非常遥远的星体。第二部分是一个约1平方公里的复合地面阵列,约5200个闪烁体探测器按边长15米的正三角形点阵来排布,同时在2.5米的地下每隔30米布设约1200个缪子探测器,用于探测能量稍高的宇宙线伽马光子。第三类装置由12个望远镜系统组成,用于能量更高的宇宙线能谱高精度测量。这三类探测器彼此联动,组成巨大的复合探测装置。


“这些装置修建好后,将埋在地下,地面上将被恢复成原样。”李昆鹏称,不会破坏海子山的自然景观,还有望形成集科考、旅游等于一体的景点。


打开“宇宙之眼” 应能找到宇宙线起源


“LHAASO项目如同一道在海拔4400米以上拉起的恢恢天网,将成为全球覆盖能量范围最大的宇宙线探测设备,随时等待捕捉落入地球的新秘密。”曹臻说,“该项目集合了三个世界之最。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段伽马射线探测方面,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。


“利用如此精心布置的大型探测装置,理论上讲应该能找到宇宙线的起源,这也是LHAASO的核心目标。”曹臻说,另外它的发现还可能扩展到意想不到的领域,如捕捉到伽马暴,人类已知的最剧烈的天体爆炸过程,就有可能挑战爱因斯坦的相对论、经典引力理论等基本物理问题。


LHAASO将打开“宇宙之眼”,开启一个新时代。


LHAASO的科学意义 冲击宇宙线起源的世纪之谜


面向国际基础研究重大前沿问题,冲击宇宙线起源的世纪之谜。充分发挥高海拔优势,精确测量膝区宇宙线分成份能谱;实现极高能宇宙线谱的完整一致测量,建成国际高海拔宇宙线研究中心。


新物理前沿探索,包括:(1)暗物质探索;(2)利用瞬变现象探索量子引力或Lorentz对称破坏效应;(3)LHC能量以上新能标处粒子物理现象。


LHAASO项目将使我国筹建中的高海拔宇宙线观测站成为世界上四大宇宙线研究基地之一,使我国在这一领域的研究跻身于国际领先地位。


宇宙线研究的意义 或与外星生命有关


宇宙线看起来和我们的生活很遥远,但有科学家认为,全球变暖、空中交通等可能与之有直接关系。


●卫星寿命


高能宇宙线粒子和太阳粒子事件可能会危及在太空飞行的宇航员的生命,还可能影响宇宙飞船、卫星等的正常工作及寿命。


●空中交通


虽然宇宙射线到达地球时,会有大气层阻挡住部分辐射,但射线流很可能对空中交通产生一定的影响。一旦在高空遭到带电粒子的攻击,飞机上所使用的控制系统和导航系统有可能失效。


●全球变暖


由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来,形成的带电离子可以引起水滴的凝结,从而可增加云层的生长。当宇宙射线较少时,产生的云层就少,太阳就可以直接加热地球表面。


●外星生命


高能粒子流可能在决定其他行星上是否存在生命方面起着关键性的作用。因此有科学家提出,宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。


针对以上说法,李昆鹏表示,现在对宇宙线所知甚少,不排除有这些可能,但需要不断求证。




(作者:陈诚 蒋麟)
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