一场持续几百秒的极亮伽马暴，经过长距离“飞行”来到地球，“就像宇宙中有人打开了一支手电筒亮了几分钟，20亿年后恰好照在我们身上。”
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺
在北京中国科学院高能物理研究所的一间静谧办公室内，研究员曹臻坐在电脑前，实时掌控着四川稻城海子山上“拉索”的动向，后者接收的是宇宙中不断射向地球的宇宙线。
曹臻是“拉索”项目首席科学家，也是让我国在国际宇宙线研究中占有重要一席之地科学家中的领军者之一。
由曹臻领导的“拉索”国际合作组已取得一系列观测研究成果，不断刷新人们对宇宙的认知，2023年获得了伽马暴研究成果，2024年发现了宇宙线加速源。面对“拉索”观测到的独一无二的数据，有国际同行非常羡慕，“你们看到的新奇现象，我们怎么没有看到？”曹臻回答，“你们的探测器‘眼睛’不够亮，灵敏度不够。‘拉索’配备了多项国际领先的探测技术，它的‘眼睛’足够亮，可以捕捉到伽马光强度极低的发射源。”
2025年“拉索”团队将产出更多成果。曹臻说，目前多篇论文已经进入审稿过程，团队还将围绕黑洞、超新星遗迹、星团等各类宇宙线加速源开展深入研究。
“拉索”精确测量迄今最亮伽马暴的高能辐射能谱示意图 中国科学院高能物理研究所供图
“最亮的眼睛”
站在海拔4410米的海子山上眺望，可以看到在一大片圆形区域内，有数千个不同类型的探测器有序排列，形成一个观测阵列，时刻捕捉着来自宇宙空间的高能粒子流——宇宙线。
宇宙线包括质子、电子、伽马射线等。上世纪80年代我国拥有第一台高能加速器之前，我国高能粒子物理的实验研究基本是依靠宇宙线，即将探测器放置在高山，记录并研究从外太空下来能量很高的宇宙线粒子。
我国高海拔地区具备放置探测器的理想场所，日本科学家曾与我国科研人员合作，把探测器安装在西藏甘巴拉山进行实验。“我们也是合作组成员，但数据完全控制在日本科学家手中，我们使用数据非常受限，得到的大多是经过他们研究之后的数据。”曹臻告诉记者。
2004年，旅美近十年的曹臻回国工作，彼时，中国和意大利科学家正共同合作推动西藏羊八井ARGO项目，旨在通过探测宇宙线来研究宇宙中的高能物理现象。自2004年起，在曹臻带领下，中方团队积极参与了ARGO的建设和调试等环节。最终，该实验设施于2006年建成并投入运行。这一过程中，我国的粒子探测器研制技术取得了突破，为后来我国独立自主建设“拉索”打下了基础。
在国际宇宙线探测技术突飞猛进的竞争环境中，各类高性能粒子探测器不断进步迭代，“拉索”也应运而生。在2009年的一次香山科学会议上，曹臻首次与专家们探讨了关于“拉索”的构想。
在这一构想中，“拉索”能测量到宇宙中到达地球光子的最高能量在1拍电子伏特（1PeV）左右，而当时人类探测器能测到的光子最高能量只有0.1拍电子伏特以下。
为实现从0.1PeV到1PeV的跨越，“拉索”需要全方位覆盖宇宙线与伽马射线从低到高的宽广能量范围，团队采用多种探测技术相结合的方式，整合地面粒子探测阵列、水切伦科夫探测器阵列、望远镜探测阵列等多种技术手段，能够探测并分析跨越多个数量级能量的粒子和辐射，从而提供对宇宙高能现象更深入的理解。
从“拉索”观景台上望去，可以看到一个个土包有序排列，这就是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列，主要用于探测由高能宇宙线或伽马射线与地球大气层相互作用时产生的空气簇射中的次级粒子。该探测器是目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。
沿着工作人员手指的方向，可以看到在所有土包围绕的中心区域，有一个覆盖银灰色顶棚的“品”字形方块区域，顶棚之下有两个边长150米的正方形水池，还有一个长300米、宽110米的长方形水池，这三个水池里面装了36万吨纯净水，相当于167个标准游泳池的水量，7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列就在这三个水池中，水池底部有3210个探测单元，里面安装了我国自主研发的超大型光电倍增管。光电倍增管是水切伦科夫探测器的核心单元，可以用来探测伽马光子。“拉索”团队与研制部门通力合作，突破了20英寸光电倍增管高精度时间测量的技术难题，推动我国在此领域的技术水平达到了新高度。该探测器也成为目前世界上最灵敏的甚高能伽马射线源巡天观测装置，为后续观测到历史最亮伽马射线暴提供了技术手段。
此外，18台广角切伦科夫望远镜也排列在“拉索”观测阵列中，它能够用来探测能量相对较高的宇宙线粒子。团队大规模应用了硅光电倍增管，突破了传统探测器不能在月夜工作的瓶颈，望远镜有效观测时间成倍增加。
2021年7月，“拉索”完成了全阵列建设并投入运行，成为国际宇宙线研究中最受关注的大科学装置，至今已取得系列重大成果。“‘拉索’是世界上重要的粒子天体物理支柱性实验设施之一，是能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体观测系统，它所提供的独特研究机会将极大地促进我国乃至全世界在该领域的科学研究迈向新高度。”曹臻说。
探测到“千年不遇”的历史最亮伽马射线暴
2022年10月9日21点，“拉索”接收到了宇宙深处传来的伽马射线暴GRB221009A，并完整记录了这一迄今最亮伽马暴的万亿电子伏特伽马射线爆发全过程。
GRB221009A来自约20亿光年之外——一颗比太阳重20多倍的大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，恒星核心无法再通过核聚变产生足够压力来抵抗自身引力，从而导致核心快速坍缩，这一过程触发了一场剧烈的超新星爆发，并发出了一个持续几百秒的“宇宙烟花”。这一伽马暴产生的伽马光子经过20多亿年的旅程到达地球，“拉索”成为全球唯一一个正对这场伽马射线暴的地面探测器。
曹臻用“非常幸运”形容此次观测，在他看来，这是一次极小概率事件，一场持续几百秒的极亮伽马暴，经过长距离“飞行”来到地球，“就像宇宙中有人打开了一支手电筒亮了几分钟，20亿年后恰好照在我们身上。”
对比同能区其他实验装置，甚至专门设计来追踪伽马暴的设备，由于所处不同时区错失了这次观测良机，它们以前测到的伽马暴事件中，光子数目仅在千个以下的水平。而“拉索”收集到了6万多个伽马光子。
此外，“拉索”记录了万亿电子伏特伽马射线流量增强和衰减的整个阶段。伽马暴事件初始阶段的巨大爆炸被称为“主爆”，表现为强烈的低能伽马射线辐射，这是最亮的电磁事件之一。“主爆”产生的接近光速的爆炸物与周围环境气体碰撞则产生“后随爆炸”。“后随爆炸”也被称为“余辉”，是一个亮度迅速增大然后逐渐减弱的辐射阶段。在“余辉”过程中，激波会将电子加速，并在磁场中发出同步辐射光，高能电子通过与同步辐射光子碰撞把能量传输给光子，于是就产生了“拉索”能够探测的非常高能的光子辐射。
近几年，全球有多个望远镜观测到了伽马暴万亿电子伏特能量的“余辉”。但由于望远镜一次只能观测一个点、一颗星，需要一定时间转到伽马暴方向，已有观测只看到起爆60秒以后的“余辉”衰减阶段，并没有描绘出甚高能“余辉”完整的时间演化过程。
“拉索”拥有广阔的观测视野，可以覆盖大面积的天空，不同的探测器阵列能够全方位接收粒子“阵雨”信息。并且恰逢这场伽马暴在爆发期间刚好处在“拉索”的观测视野范围内，人们第一次完整地看到了高能“余辉”从上升到下降的演化过程。“拉索”完整地记录了“余辉”整个过程，实现了其他实验没有达到的对高能量波段光变过程的教科书式的记录，为理解伽马射线暴及其后续效应提供了全新的视角。
2023年11月16日，“拉索”团队向全球发布GRB221009A高能伽马辐射的精确能谱，该能谱挑战了传统的伽马暴“余辉”的标准辐射模型，揭示出宇宙背景光在红外波段强度低于预期，这对于理解星系形成和演化、宇宙结构的增长等具有深远影响。这份能谱为检验爱因斯坦相对论的适用范围、探索暗物质候选粒子——轴子等提供了重要信息。受访专家认为，此次爆发“千年不遇”的稀缺性，“拉索”的观测结果预期将在今后很长时间内保持最佳。
为人类宇宙线知识体系作出中国引领
2024年，“拉索”研究团队在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，这是人类历史上首次发现能量高于1亿亿电子伏特宇宙线的起源天体。成果在《科学通报》上发表后再次引起学术界的轰动，成为当今宇宙线研究的重要里程碑。
“做出了世界一流的科学成果，我们就为世界宇宙线知识体系作出来自中国的贡献，我们的思想自然而然地融入人类文明的历史。”曹臻说。他还记得，2019年，一次国际学术大会主办方拒绝了中国宇宙线研究团队做大会报告的申请。如今，基于“拉索”项目发表的期刊论文已超过200篇，会议论文超过150篇，在国际诸多宇宙线学术会议上，中国团队是座上宾，“拉索”的报告总是被排在最前面。
“拉索”已经领导宇宙线研究的国际前沿，曹臻以开放的姿态欢迎国际研究团队加入到“拉索”项目中，“每个科学家都有自己的局限性，合作才能最大限度发挥‘拉索’的效能。我们的科研是为全人类服务的。”
目前，在四川省的大力支持下，“拉索”正准备再添加32台望远镜，使其角度分辨率由原来的0.2度提升至0.04度。这好比从能看见月亮上的一片片“海”，提高到能看清楚一座座“环形山”。这将助力“拉索”突破现有研究局限，继续在宇宙线领域保持国际领先地位。“‘拉索’将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心，借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势，成为独具特色、综合开放的科学研究平台。”对于“拉索”未来的发展，曹臻信心十足。
不仅如此，从“拉索”成长起来的水切伦科夫探测器团队正在推动一个全新研究项目——高能水下中微子望远镜项目（HUNT）。HUNT将以前所未有的灵敏度，探测银河系内部高能天体中微子点源，从而有望为宇宙线起源的百年未解谜题放进最后一块拼图。
曹臻介绍，目前HUNT项目正处于预先研究阶段，向深海进军面临巨大的技术挑战，同时也带来了海洋科学研究的巨大机遇，已有国内外涉及高能物理、天体物理、海洋科学等十余家科研院校近70人参与，项目概念设计已经初步成形，探测器的多项关键设备和技术在俄罗斯贝加尔湖和中国南海分别进行的样机试验中逐渐得到发展与完善，项目将为天文学和物理学研究提供崭新视角。■
