关注!稻城有望成为人类破解宇宙演化秘密的“探针”

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康巴传媒(转载自 四川日报)

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刚刚启动建设的圆环阵太阳射电成像望远镜项目概念图。中科院国家空间科学中心供图

稻城深山有一座宇宙空间“天气预报站”

●它和遍布全国的其他15个站点一起,共同构成中国空间天气科学领域首个国家重大科技基础设施项目——东半球空间环境地基综合监测子午链(简称子午工程)的二期项目
●它的作用就像是在做空间维度上的“天气预报”,探寻太阳为什么会爆发、爆发出的带电粒子会不会到达地球、对地球“软肋”有什么影响等,从而作出相关预测和应对
●位于稻城的巨大“圆环”,全名是圆环阵太阳射电成像望远镜项目,主要观测带电粒子离开太阳的过程,最终判断太阳粒子会不会到达地球、什么时候到、会产生哪些影响
●在稻城深山里,还有同是国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站。未来还可能有大型天文望远镜等项目入驻,稻城有望成为人类破解宇宙演化秘密的“探针”
在四川省甘孜州稻城县的深山里,藏着一个世界级的空间“天气预报站”。
如今在建设现场,能看见的只有几栋孤零零的房屋和忙碌的工地。但在科学家脑海中,未来这里将呈现一幅罕见的壮丽图景:超过300个直径6米、形状酷似铁锅的巨型天线,一个紧挨一个摆放,从而组成直径长达1公里的巨大“圆环”。
5月17日,中科院国家空间科学中心研究员、子午工程二期稻城项目主任设计师阎敬业告诉记者,它和遍布全国的其他15个站点一起,共同构成中国空间天气科学领域首个国家重大科技基础设施项目——东半球空间环境地基综合监测子午链(简称子午工程)的二期项目。而该工程的终极目标,就是做空间的“天气预报”。
随着子午工程二期项目和高海拔宇宙线观测站开工建设,多个重量级科学项目将使稻城有望成为人类破解宇宙演化秘密的最先进“探针”。
为啥要研究空间“天气变化”?

在空间维度,也需要有人预报什么时候会“打雷下雨”,并提醒大家收衣服、带雨伞

宇宙空间怎么还会有“天气”?阎敬业解释:首先这里的“空间”,是包含离地面20公里以上的范围。其中既有属于“地球”的中高层大气、电离层、磁层等,也包括地球和太阳之间的宇宙空间,“(离地面)20公里以下的天气预报,是各地气象局在管;20公里以上的,就是从事空间天气观测的科学家来管。”
生活中的天气变化,表现为刮风下雨;而在上述空间里,天气变化是啥样的?
“你可以把它想象成是风暴。”阎敬业说,空间天气变化的唯一源头,就是太阳活动。而引发“风暴”的就是太阳爆发——这颗恒星在短时间内向空间喷射大量的高速带电粒子,数量之多,比平时翻了几个数量级。某些情况下,这些带电粒子会朝地球冲过来,并引发地球空间环境的扰动。
阎敬业举例说:受太阳爆发影响,北斗定位的误差可能从“厘米级”扩大到“百米级”;使用短波通信的电报、对讲机会全部“趴窝”;地面电网可能因超过设计负载能力而烧毁,导致大面积停电。此外卫星如果工作时遇上高能粒子打击,可能会出现意想不到的风险,“这些情况如果能提前预知,就能做好相应准备,最大程度避免损失。”
这就像是空间维度上的“天气预报”:探寻太阳为什么会爆发、爆发出的带电粒子会不会到达地球、对地球有什么影响等,从而作出相关预测和应对,“可以理解为我们研究空间为什么会‘打雷下雨’?进一步预测什么时候会‘打雷下雨’,并及时提醒大家收衣服、带雨伞。”

四川在子午工程中扮演啥角色?

稻城“圆环”主要研究“从球员踢球到球离开脚的过程”,从而为守门员防御提供依据

子午工程,就是用于研究空间天气的一个观测网络。

“一期工程在2012年就建设完成了,去年8月启动了二期工程,新增16个站点。”阎敬业说,四川的相关项目,就是二期工程重要组成部分。
为啥要建二期?他介绍,主要原因是此前只能进行“粗糙的观测”。一个业内熟知的玩笑是:目前空间天气研究,相当于上世纪30年代的天气预报水平——比如预报明天天气,会说降水概率40%。“这当然太粗略了,40%到底是下雨还是不下雨啊?”他表示二期工程建成后,中国空间天气研究水平会有质的飞跃。

位于稻城的巨大“圆环”,全名是圆环阵太阳射电成像望远镜项目。它是我国研究日地空间因果链最重要的观测设备,“主要观测带电粒子离开太阳的这个过程。”
这个阶段为啥很重要?阎敬业拿“罚点球”举例:“圆环”观测相当于从球员踢球到球离开脚的过程,从这个过程中能知道球的初速、方向、旋转等等,“如果你是守门员,有了这些信息,就能大体判断怎么防御了。”同样道理,有了带电粒子离开太阳时的信息,就能大体判断它会不会到达地球、什么时候到、会产生哪些影响。
除了“圆环”,四川还会有全天空气辉成像仪、光学干涉仪,以及地磁和地电设备等装备。它们用于观测地球中高层大气、磁场变化等,“就像天气预报的不同观测点,和全国各地设备一起共同组成一张观测网。”
阎敬业表示,目前“圆环”已在建设,年内将开展一些样件测试和试验,预计2022年建成并开始观测。

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俯瞰在建的高海拔宇宙线观测站。新华社发

在稻城,还有一个正在建设的高海拔宇宙线观测站

在地球高点接收“天外问候”

除了在稻城开建的子午工程外,在距稻城亚丁机场十余公里外的海子山,一块约数十个足球场面积大小的区域已成型,挖掘机、装载机往来其间——国家重大科技基础设施项目高海拔宇宙线观测站(LHAASO)观测基地,正在紧锣密鼓地建设中。
宇宙线,携带着宇宙起源、天体演化和太阳活动等宇观信息,是一种宝贵的科学资源。它的“出生地”是哪里,为什么带着这么高的能量,人类能不能解开这个困扰百年的“世纪之谜”?来听听这群“追信号的人”,揭秘宇宙线探索的“十八般兵器”。
“天外来客”出生地在哪里?

宇宙线又称宇宙射线,是来自宇宙空间的高能粒子流。“天文学的传统研究手段大多是电磁波,但宇宙线是人类目前能够从宇宙深处获得的唯一物质样本。”LHAASO项目首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻说。
宇宙线是组成物质本身的粒子直接传播到地球,包含着许多电磁波无法传递的信息,被形象地称为“宇宙陨石”。1912年被发现后,与之相关的研究已经获得数个诺贝尔奖,但迄今为止人类仍未发现其起源。
南京大学天文与空间科学学院教授王祥玉介绍,科学家已经发现,超新星遗迹、星暴星系、银河系中心的超大质量黑洞等,都具有产生宇宙线的条件,但究竟哪一个是其“出生地”还不得而知。
上海天文台研究员王仲翔一直在研究银河系内的宇宙线。他举例说,宇宙线是穿越历史的“信使”。公元1006年宋朝期间,曾有一颗超新星闪耀天空,亮度最强时白天可见;1000多年后,科学家们仍在研究这颗超新星遗迹中快速移动的粒子会不会是宇宙线的前身,解答“来自宋朝的问候”。
曹臻说,利用目前的加速能量,已发现了描述世界物质构成的“标准模型”中所有的基本粒子,包括新近发现的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理现象,就必须依赖更高的加速办法。探索高能宇宙线的起源是一个可能获得突破的方向。
观测的“十八般兵器”有哪些?

这一肉眼看不见的“天外来客”,如何精准捕捉?“宇宙线的研究非常困难。宇宙线是带电粒子,碰到宇宙中无处不在的磁场就会偏转。”王祥玉说。
俄罗斯高能天体物理学家詹·阿里所采用的方法,是通过置放于贝加尔湖下1300米的多个探测器,接收宇宙线中微子信号。科学家驾车在冰层上打洞,用锚链将探测器坠到湖里,布置在750米至1300米深处;探测到的信号会通过电缆传到位于水下30米左右的汇集器,再经过湖底电缆传输到3公里远的岸边数据中心。
美国高能天体物理学家韦恩·施普林格则是将300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上,形成高海拔水基切伦科夫伽马射线天文台,每24小时能看到2/3的天空。“30万年前,名为‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脉冲星,其粒子流还在来访。”
日本东京大学教授政廣手嶋是在位于海拔2200米的西班牙拉帕尔玛岛,利用两架名为“魔术”的切伦科夫望远镜观测,目前可以观测200多个高能伽马射线源。
LHAASO会带来什么期待?

2016年7月,LHAASO项目在稻城县海拔4410米的海子山开始基础设施建设,预计5年内建成。“高海拔宇宙线观测站项目集合了三个世界之最。”项目硬件总负责人何会海说,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。
目前宇宙线最高能量的粒子,已经被着眼于极高能量的FLYSEYE、AUGER等实验所观测到。而LHAASO的目标,是希望通过更高标准的探测器主体,寻找从未被接收到的“最高能量光子”,向宇宙线起源这一终极命题发起挑战。(据新华社)

顶级科学基础设施为啥“扎堆”稻城?

在稻城深山里的,不止有子午工程的“圆环”,还有同是国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站。根据公开信息,未来还可能有大型天文望远镜等项目入驻。
藏在深山里的稻城县,为啥如此受顶级科技基础设施“青睐”?

“我们选址历时3年多,在西藏、青海、云南等地看了20多个站址,最后选择了稻城。”中国科学院高能物理研究所研究员、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)首席科学家曹臻表示,稻城海拔高度超过4300米,周边水源充沛,完全满足宇宙线观测的要求。

而阎敬业提到的理由又全然不一样:做空间“天气预报”,最重要的是减少电磁干扰,“就像在餐厅里交流,当然不希望环境太嘈杂、背景音乐声音太大。”而稻城所在的山区,把城市里广播电视、手机等发射的电磁波都“挡”在了外面,让设备能尽可能捕捉到来自太阳的带电粒子。

一位看上的是稻城海拔和水源,另一位看上了“深山环绕”。不过两位科学家也都提到,做天文观测相关研究,稻城还有一些共性优势:当地空气透明度好,没有污染;交通便捷,附近有亚丁机场,也有省道和国道,便于项目建设、科研人员生活和学术交流。

游客来到稻城是否会干扰科学监测

稻城县地处青藏高原东南缘、横断山脉东部,高原自然生态环境脆弱,如何做好科学研究、旅游开发和生态保护“加减法”?
高海拔宇宙线观测站项目副经理、中国科学院高能物理研究所研究员何会海说,为保护高原的生态环境,该项目采用了“绿色”施工方案。在建设中,地表20厘米以上的腐殖层被翻出移走养护,工程做完后再将其移栽回去。项目运行后,产生的废水通过蒸发后回收,实现“绿色”观测运行。
“我国大天文观测集群所在地”不仅是个概念,更具有现实意义。当地政府委托四川旅游规划设计研究院完成的《四川稻城天文公园建设总体方案》已经过专家咨询论证,正积极推进方案规划建设。

游客扎堆来到稻城是否会干扰科学监测?“天文公园规划中划定了保护范围,会严格控制游客行为,避免光污染、电磁波等干扰,保障国家级科学项目的顺利进行。”稻城县发展和改革局相关负责人说,保护好天文资源环境、生态环境,才是旅游发展的生命线。(据新华社)

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