周末读书 |《拉索》—2024“中华优秀科普图书榜”推荐

曹臻白云翔著
四川科学技术出版社

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内容简介

“拉索”是我国自主规划建设的重大科技基础设施，以“探索宇宙线起源”为核心科学目标，是当前国际宇宙线领域最为卓越的科学设施，也是目前世界上灵敏度最高的伽马天文探测装置，位于四川省甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。拉索不仅在科学探索上取得了重大突破，还通过技术创新为未来的科学研究提供了重要的技术支持和平台，是中国高能物理发展50载结出的硕果，是中国基础科学发展的里程碑。

本书以拉索艰辛的建设历程和重大科技成果为主线，不仅深入浅出地讲解了宇宙线和相关探测技术的科学知识及拉索取得的重大科学发现，解读了科研人员如何通过测量宇宙线来探索高能宇宙的奥秘。同时还介绍了我国宇宙线研究如何从“零”起步，经历跟跑、并跑直到引领的非凡蜕变，生动描绘了我国三代宇宙线学人朝着国际前沿接力奔跑的奋进篇章，特别是他们勇于叩问苍穹、敢于挑战“不可能”的科学探索精神和深厚的家国情怀。

本书通过拉索的故事，为我们展现了中国科学家在国际学术舞台上日益重要的角色和贡献，让每一位怀揣科学梦想，矢志追求科学真理的读者，都能从中汲取科学的力量，体会科学的美妙，感受中国科技迸发的智慧和能量。

作者简介

曹臻中国科学院院士，中国科学院高能物理研究所研究员，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站LHAASO”首席科学家，享受国务院政府特殊津贴专家，四川天府新区宇宙线研究中心主任，西南交通大学顾问教授。自1994年起活跃于国内外宇宙线和伽马天文领域，参与多个国际知名宇宙线实验，领导和设计了多个大型实验及其探测装置，并实施了相关探测器的研制。取得多项重要成果，在国际专业刊物发表了120多篇科学论文，总引用量超过5500次。曾任国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）粒子天体物理委员会（C4）成员、粒子天体物理国际委员会（WG10）成员。

白云翔中国科学院高能物理研究所高级工程师、“拉索”工程办主任，天府宇宙线研究中心常务副主任。长期从事高能物理实验研究和大科学设施战略研究，相继参加中国首台超高能宇宙线的τ中微子望远镜（CRTNT）的研制，参加“十二五”国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO）工程、“十三五”科教基础设施宇宙线物理与探测技术平台建设，在核心期刊发表多篇文章。

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章节试读

发现最高能量光子和首批“PeVatron”

2021年5月17日，一则“天鹅座来信”的新闻在一日之间冲上热搜头条，由官方发布的新闻点击量高达2.7亿，而来自自媒体的各种解读消息更是铺天盖地。网友们焦急地问：“难道我们暴露了吗？” “天鹅座来信”似乎让人感受到了外星文明的威胁，更有网友提醒高能所的专家：“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”

这封“天鹅座来信”不是别的，正是天体物理学家寻找的拍电子伏级伽马光子。天鹅座是银河系盘面上的一个北天星座，其名称来源于拉丁化希腊单词“swan”。天鹅座是北方夏秋季最容易辨认的星座之一，拉索探测到的最高能量光子便来自天鹅座的恒星形成区。

从美国的CGRO卫星到中国的拉索

冲上热搜的这一则重磅新闻，是尚在建设中的拉索通过部分投入运行的阵列在银河系发现了1.4 PeV的超高能光子，刷新了人类从宇宙中探测到的光子能量纪录。如果大家对1.4 PeV没有概念，我们可以简单回顾一下人类对伽马光子能量探测极限的发展过程。

1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有 0.1 TeV（1 TeV=10 12 eV）以上伽马辐射的天体，标志着甚高能（一般指100 GeV ～ 100 TeV）伽马天文学时代的开启。20世纪90年代，美国发射的康普顿伽马射线天文台（Compton γ-Ray Observatory，CGRO）卫星探测器开启了吉电子伏级伽马天文学时代，进一步打开了人类认识宇宙的眼界。注意，这里的伽马光子能量是吉电子伏（吉电子伏即GeV，1 GeV=10 9 eV）。2019年，我国羊八井观测站发现蟹状星云可以辐射出能量高达450 TeV的伽马光子。2021年初，羊八井观测站刷新了自己创造的纪录，探测到了957 TeV的光子，马上就要突破1 PeV大关（1 PeV=10 3 TeV=10 15 eV）。没过几个月，纪录再次被刷新——拉索发现1.4 PeV光子。科学家们用30年的时间，将人类的探测能力从吉电子伏级提高到拍电子伏级，百万倍的跨越，纪录保持者从美国的CGRO到中国的拉索。从某种意义上说，超高能光子的发现是人类探索宇宙边界的又一次大踏步拓展。

CGRO 探测器

CGRO探测器于1991年4月5日发射升空，在轨观测近10年，于2000年6月4日退役，它是继哈勃空间望远镜之后第二个被发射到太空的望远镜，是美国国家航空和航天局（NASA）“大天文台”计划的组成部分，该计划中还包括钱德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜（图片来源于NASA）。

拉索的这一发现被国际上一致认为是宇宙线研究进入了“超高能伽马天文学”时代的标志。自从1989年惠普尔天文台发现超过 0.1 TeV 伽马辐射以来，在随后的30年里，超过200多个甚高能伽马射线源被陆续发现。直到2019年，人类才探测到首个具有超高能（能量高于100 TeV）伽马射线辐射的天体。出人意料的是，仅有1/2规模的拉索阵列，通过11个月的观测，就将探测到的超高能伽马射线源数量激增到了12个，尚未完全“睁眼”的拉索，就已经展示出了强大的发现潜力。可以预见，随着拉索持续不断的数据积累，这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文观测重器，将给我们展现一个充满新奇现象的未知超高能宇宙。

天上有很多“PeVatron”

基于甚高能伽马天文学的积累，开展伽马天文学进一步的研究，就需要收集足够多的超高能伽马源样本，并按其辐射行为进行分类，这样才会发现其规律。如果对源的能谱和源区多波段详细观测的样本过少，就难以在规律性和特殊性之间做出正确判断。拉索以此为出发点在高能段形成绝对的巡天观测优势，大批量发现伽马射线源。与此同时，拉索还需要对伽马射线源做深度成像观测、大范围的能谱测量和尽可能宽广的多波段观测研究，彻底弄清伽马射线的辐射机制，判选出强子“宇宙加速器”。能量达到100 TeV的伽马射线对应的父辈强子宇宙线能量超过1 PeV，搜寻这个能量之上的高能辐射天体是伽马天文学研究的新热点。

拉索探测到的12个拍电子伏级加速器和最高能量光子示意图

12 个源均分布于银盘，直接说明这些高能活动来自银河系内，最高能量光子来自天鹅座。

“PeVatron”是高能物理领域的专有词，指可以将能量加速到PeV级（即拍电子伏级）水平的“宇宙加速器”。我们知道，这样的加速器只能到天上去找。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，这里聚集着大量的大质量恒星，总质量达到太阳质量的数万倍。大质量恒星产生的强烈星风，速度可达数千千米每秒。在这样相对狭小的空间里，来自相邻大质量恒星产生的星风互相猛烈撞击，造成天鹅座恒星形成区复杂的强激波、强湍流极端环境，成为“天然的粒子天体物理实验室”，天体物理学家要找的超高能“宇宙加速器”——PeVatron，极有可能出现在这一区域。

拉索这次发现中的12个源均分布在银河系的银道面上，1.4 PeV的超高能光子来自于天鹅座的“天然的粒子天体物理实验室”。这次发现，揭示出银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1 PeV的“宇宙加速器”，加速能力远超当前人类加速的极限，其源头所处的极端环境中，必然有着我们尚未掌握的知识。

一般认为，有两种情况可能产生超高能伽马光子。一种是高能质子与气体介质中的质子碰撞。这种方式产生的伽马射线能量约为高能质子能量的10%，因此产生超高能伽马射线需要能量大于1 PeV的质子。当一个能量约为1 PeV的质子与源内或源周围的物质产生碰撞时，会损失一部分能量，并产生两个能量为其10%左右的伽马光子。还有一种可能是源区产生的高能电子和源周围的背景光子碰撞，大量分布在周围的低能光子可以获得能量。产生能量大于100 TeV的超高能伽马光子，需要电子能量在0.3 PeV以上。超高能伽马光子与宇宙中的PeVatron有直接关联，而后者是高能天文物理学领域长期寻找的重要目标。

在拉索能够有效观测到的伽马射线源中，所有的天体能量都在0.1 PeV以上的超高能区有伽马辐射，而且这些天体的伽马射线能谱在0.1 PeV以上没有截断，一直延伸到1 PeV附近。这说明银河系不仅不存在之前普遍认为的宇宙线加速拍电子伏级极限，而且我们头顶的天空有很多PeVatron，有些加速能力甚至超过10 PeV。

在这12个源中，包含了我们熟知的蟹状星云、天鹅座恒星形成区等，对这几个伽马天文领域著名的天体此前有持续的、多波段的观测。然而，当时国际上的主流探测器能探测到的粒子能量在0.1 PeV以下，难以在如此高能量的区域开展具有绝对灵敏度的探测，难以有效确认拍电子伏级的“宇宙加速器”，拉索的发现对这类天体的传统理论解释提出了严重的挑战。

伽马天文学头顶的“乌云”

开展高能伽马天文学研究，需要建造地基探测器，国际上用于伽马天文学的地面设施有切伦科夫成像望远镜和大型地面阵列，例如位于纳米比亚的高能立体望远镜系统（HESS）、位于西班牙加那利群岛的大气伽马切伦科夫成像望远镜（MAGIC）、位于美国亚利桑那州的超高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）、位于中国的广延大气簇射阵列（ASγ）和全覆盖探测阵列（ARGO-YBJ）两个实验、位于墨西哥的高海拔水切伦科夫观测计划（HAWC）等。通过几十年的努力，这些设施已经发现了大量伽马射线源，最高探测能量达到了百太电子伏级水平，而今，拉索将此限度提高了10倍以上，至拍电子伏级以上。已经发现的这些伽马辐射源中，有超新星遗迹、大质量星团、高速转动的脉冲星产生的风云等，这些天体都可以辐射高能伽马射线。在拉索发现的12个超高能伽马射线源所在的位置或源的附近，存在脉冲星、超新星遗迹等已知天体。

海子山变幻莫测的天气

脉冲星是快速自转的磁化中子星，由恒星演化和超新星爆发后产生，这类天体具有超短转动周期、高温、高密、强引力场、强磁场的特征，是宇宙空间中极端环境的典型代表。目前已发现的脉冲星超过4000颗，其中有900颗为我国FAST所发现。很多快速旋转的中子星有强磁场，可以吹出由正负电子对组成的脉冲星风，这些极端相对论性的脉冲星风撞击在超新星抛射物上形成激波，并进一步加速电子，产生多波段的辐射，形成脉冲星风云。最著名的脉冲星风云蟹状星云也在此次观测到的12个源之中。拉索探测到的蟹状星云最高光子能量为1.1 PeV。根据之前的研究，蟹状星云由被加速的电子产生，拉索测到的1.1 PeV光子对现有的粒子加速理论提出了挑战。

理解这些拍电子伏级光子，除了加速机制上的挑战，还有来自于传播机制上的困难。

宇宙空间中存在各种来源的低能光子。宇宙大爆炸百亿年之后，整个宇宙中弥漫着3 K背景辐射光子。当能量在拍电子伏级以上的光子遇到宇宙微波背景辐射中的这些低能光子时，就会发生湮灭，并产生正负电子对。从理论上推断，能量超过70 EeV（70000 PeV）的质子或能量在1 PeV以上的伽马光子会与宇宙微波背景辐射相互作用而被吸收，弥散微波背景辐射就好像一堵墙，将人类赖以探索早期宇宙的伽马射线中超高能的部分挡住了。也就是说，在银河系之外即使到处都是超高能伽马辐射，我们也接收不到。作为一个银河系的“公民”，我们测量到的宇宙线在超过 70 EeV（7×10 19 eV）以后，会明显看到能谱截断的现象，我们称之为GZK截断。因此，拉索看到的最高能量光子需要有更多的解释。从另外一个层面来说，拍电子伏级光子就是人类探索宇宙的边界与前沿，也是探索极高能现象的前沿，任何超出这些“极限”的现象，无论是1 PeV的伽马射线还是70 EeV 的宇宙线，宇宙中这些具有“特殊身份的信使”，让物理学家的头顶时不时地飘来一朵 “乌云”，因为这意味着基本物理规律可能被撼动。

探测伽马光子，就像大海捞针

在宇宙线的成分中，不带电的伽马光子占极少数。在以伽马光子为探测对象的宇宙线研究中，带电的宇宙线粒子是我们不希望出现的本底噪声，然而，这个本底要比伽马信号高出4～5个数量级，如何有效排除带电宇宙线粒子噪声成为伽马天文学观测的关键。

在拉索本次找到的PeVatron周围，产生的超高能伽马光子信号非常弱。以我们熟悉的被称为伽马天文学“标准烛光”的蟹状星云为例，从蟹状星云辐射出来的能量超过 1 PeV的高能伽马光子，在一年内落在地球上1平方千米范围内的也就1～2个，而这1～2个光子还被淹没在数以万计的带电宇宙线粒子的“汪洋大海”之中。拉索就是要从“粒子海”中挑出伽马光子，这需要拉索有很强的伽马识别能力，这种识别能力会最终影响探测器的最核心指标——灵敏度。

高能所和施普林格·自然集团（Springer Nature）联合发布会现场

拉索采用的方法是通过测量空气簇射中次级粒子中的缪子识别伽马粒子。因为带电宇宙线粒子形成的簇射中富含缪子，而伽马产生的簇射中几乎没有缪子。拉索在收集到的大量宇宙线事例中挑选没有缪子的事例，从强大的本底噪声中找到极为稀少的伽马光子信号。拉索的缪子探测器阵列有4万平方米的灵敏面积，是世界上最大的缪子探测器阵列，在超高能段拥有“零本底”的宇宙线背景排除能力，拉索也因此成为目前最灵敏的超高能伽马探测装置。

在统计观测中，通常超出5倍标准偏差的观测被视为有效观测，可以被认定是一次确凿的“发现”。拉索仅11个月的观测，累计观测灵敏度就超过了ASγ实验7年的水平，12个源的辐射超出均在7倍标准偏差以上，最高的源可以达到18倍标准偏差，远超5倍标准偏差的有效观测门槛，这一次的观测结果是拉索伽马探测灵敏度指标的一次完美验证。

1 PeV类宇宙线事例（左）和1 PeV类伽马事例（右）触发探测器所形成的图像

方形信号点是触发的电磁粒子探测器，圆形信号点是缪子探测器，可以看出宇宙线事例的缪子数量明显多于伽马事例，不同颜色代表不同大小的信号。

拍电子伏级光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，是伽马天文学发展的强大驱动力，承载着伽马天文学界长久以来的梦想。直到拉索建成，人类才最终登上了拍电子伏级这座险峰，并有机会眺望从未抵达的远方。拉索在天鹅座恒星形成区首次发现拍电子伏级伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者。同时，通过超高能伽马探测发现了一批PeVatron。虽然我们尚未搞清楚这些高能粒子是如何被加速到如此之高的能量的，但我们已经知道它们在哪里，未来更加深入、细致的观测和理论研究，将把我们引到超高能宇宙线起源这个“终极”目标前，并揭开它的神秘面纱。无论在追逐这个更大梦想的征程中会有怎样的惊喜，有一点是肯定的——在未来的十几年里，拉索将会有更多的新发现，不断引领我们拨开未知世界的迷雾。