曹臻院士：“拉索”如何接收“宇宙来信”_风闻

来源：中科院高能物理研究所

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“拉索”首席科学家。自1994年起活跃于国内外宇宙线和伽马天文领域，参与多个国际宇宙线实验，提出并领导设计、建成了伽马射线探测装置——高海拔宇宙线观测站（LHAASO）。带领团队围绕宇宙线起源问题取得了一系列重大突破性成果，使得中国宇宙线研究实现了跨越式发展，达到国际领先水平 。

“拉索”是藏语“好”的意思，它是观测宇宙线的大科学装置，建在青藏高原最大古冰体遗迹海子山上，这里海拔高达4410米。2022年10月9日是“拉索”的幸运日，它观测到了宇宙中最绚烂的“烟花”。那是一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”在死亡瞬间坍塌引发出的巨大爆炸火球，释放出持续几百秒的伽马射线暴。如此亮的伽马射线暴扫过地球的概率是几千年一次，而它却恰好被“拉索”捕捉到了。这些伽马射线被称为“宇宙来信”，科学家能从这封信里读出宇宙的奥秘。

好运爆棚的“拉索”

伽马射线暴是什么？其中一个最基本的过程，就是如果有一颗质量很大的恒星，它的“燃料”烧光之后，不能产生足够的辐射压强，那么它就扛不住这么巨大的一个质量形成的引力的效应。当引力的效应超过了它辐射出来的辐射压的抵抗力，这颗新星就开始往下坍缩，过程会越来越剧烈，剧烈到一定程度就是一次爆炸，这种爆炸通常称为超新星爆炸。爆炸过程中就会喷出一个大火球来，形成一个伽马射线暴。这是人类历史上看到的最高能量的一次爆炸，比通常情况下大家观测到的伽马射线暴能量要高出1万倍，大大地超出了人们的预料。

因为是首次测量到爆炸的瞬间，结果发现一个从未见过的现象，伽马射线暴的数量随着时间的增长，瞬间就增长到一个很高的水平，然后开始慢慢衰减。在衰减过程中，由于“拉索”测量到了非常多的光子，测量得非常完整和精细。其中发现它衰减到500秒钟左右后，衰减速度突然变快，明显有一个拐折。经过对1万多个伽马射线暴研究之后，我们对这种现象充满期待，要是能够测量到在衰减过程中出现这样一个快速衰减，那就说明这个伽马射线暴实际上是一束光，而不是一个大火球。光束的大小通过时间就能够推算出来。这是“拉索”首次在这么高的能量上测量到这样一个光束的宽度，大概是0.6度，就和一根针似的。这么细的一束光怎么会正好就照在“拉索”这个探测器上？这次伽马射线暴在宇宙里穿行了20多亿年，终于在2022年10月9日那天照到地球上。虽然很多探测器都看见它了，但对于“拉索”来说是很重要的，因为“拉索”可不是从任何方向都能去看的，它是放在地面上跟着地球转，如果正好转的时候还没转到，射线已经打到地上了，那就看不到了，或者地球转得太快，转过了，它也看不到了，所以“拉索”运气真好。

关于这个现象的研究，已经有60多年的历史，现在人类一共记录了1万多个伽马射线暴，而这一次“拉索”极其幸运地捕捉到了这次爆炸，它刚刚好发生在“拉索”视场的正中央，这个伽马射线暴是我们人类对天空里边出现的最为剧烈的爆炸行为、爆炸过程、爆炸事件的一个记录。

“伤人”的宇宙线

这次伽马射线暴，让“拉索”捕捉到了6万多个高能伽马光子，全世界天文学界都沸腾了，这些来自宇宙空间的高能粒子，是人类目前从宇宙深处获得的唯一物质样本，被称为传递宇宙大事件的“信使”，通过它们可以来探索过去宇宙的样子，这相当于“考宇宙的古”。

宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电高能次原子粒子。宇宙线对人类来说，到底有多重要？虽说看不见摸不着，实际上它一直存在我们周围。之所以感受不到它的影响，有两个原因：一是大气层本身是一个非常好的物质铠甲，宇宙线进入大气之后，立刻就和大气中的原子核发生碰撞，能量低的就被吸收掉，能量高的就被碰撞成多个小碎块，挡来挡去，最后到达地面上的粒子能量就变得很低，而且数目变得很少；二是地球有一个非常强大的磁场，这使得低能量的宇宙线粒子被磁场分开了，被带到极地去，这个地方宇宙线的密度越来越强，跟大气发生碰撞，产生了极光效应，这就是宇宙线引起的。宇宙线和人类密切相关，最新研究表明，宇宙线很可能还引起了物种的演化，所以我们还是应该把宇宙线搞清楚。

通过对宇宙线的研究，我们发现了很多新的粒子，这些粒子远远地超过了人类原来的认知，真正打开了科学的边界和疆界，可以看到一个全新的粒子世界。

解开宇宙线加速之谜

基于对宇宙线的研究，一个伟大的发明诞生了，这就是用人工的方法去产生高速带电粒子的装置——加速器。科学家们利用粒子加速器产生的高能粒子轰击各种目标，不仅深化了微观与宇宙的探索，还在工业、农业、医疗领域发挥重要作用。欧洲核子研究中心的“大型强子对撞机”是目前世界上能量最高的加速器，在其27公里周长的环形管道中，可将两个质子分别加速到7万亿电子伏特的极高能量状态，并使之对撞。但是，这么高能量的人造高能粒子束要是和宇宙线比起来，根本不值一提。多年测量显示，宇宙线能量远超人工加速器，能高出千万倍。研究宇宙线能否增进对加速器的理解，乃至创造出同等高能的奇迹？此举或将引领我们迈入物理认知的新纪元。

“拉索”要怎么来解决这个事呢？一是全天普查。“拉索”是在北半球，每天跟着地球转一圈，就把北半球天空扫一遍，不断地去扫，就会积累下大量的统计量。普查啥呢？寻找高能伽马射线源，即宇宙线起源线索。二是精细测量。研究它到底是由什么东西构成，最简单的一个办法就是测光谱。每一种光谱，实际上对应一种元素的存在，对于宇宙线来说也是一样的，光谱的行为以及它的形状，尤其是高能的行为能够很好地体现出那个地方发生了什么事，就可以去探索它产生伽马射线的机制和原理。

我国自20世纪50年代起观测宇宙线，历经三代观测站，从3200米的云南东川到4300米的西藏羊八井，再到4410米的四川稻城“拉索”站。科学家们在1.36平方公里圆形区域里，布设了一个巨型观测阵列，捕获宇宙深空信息。在高海拔地区布设如此精密的探测设备，困难可想而知，但是恶劣的自然条件并没有让科学家们退缩，从2015年12月获得立项批复，到2021年7月全阵列建设完成，2023年5月通过国家验收，“拉索”的诞生速度创造了世界纪录。如今在伽马射线观测领域，“拉索”是世界上最大的探测装置，灵敏度也达到了国际领先水平。

当初，刚提出建造“拉索”的设想时，一些国外科学家认为根本没有必要，因为按照他们的理论计算和推测，再先进的探测装置，最终可能也是一无所获，完全是一种浪费。但是，中国的实验物理学家们不盲从纯粹的理论推导，他们坚持要眼见为实，用事实说话。果然，“拉索”才建设到一半，就看到了人类从未见过的宇宙奇观——最高能量的光子。顺着这些光子，“拉索”还收获了更多令全世界科学家惊叹不已的新发现。作为一个国家的重大科技基础设施，“拉索”这个实验必然会产生非常重要的一些科学成果，从而助力我国真正在科技的自立自强方面，跑出中国的速度。