“天罗地网”探宇宙

来源: 光明日报 刘红薇 尹倩青 日期:2021-07-07

“慧眼”卫星示意图。中国科学院高能物理研究所提供

“天极”望远镜示意图。中国科学院高能物理研究所提供

  高能宇宙线辐射会不会让人产生身体变异?伽马射线暴会不会对人类产生威胁?宇宙从何而生,又向哪里去?宇宙中是否还存在比黑洞更“极端”的天体?人类是不是这广袤宇宙中唯一的智慧生物……

  这些问题都是网友非常关心的问题。遗憾的是,这些问题中的大部分都还没有准确答案。

  但,大家不要沮丧。改革开放以来,随着我国科学技术的发展、科技人才的成长和工业实力的增强,我国科研人员正在铺设探索宇宙的“天罗地网”,比如“悟空”暗物质粒子探测卫星、高海拔宇宙线观测站、中国极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”等,希望能够为解答这些谜题作出中国贡献。

  探索宇宙,不仅仅是为了满足人类的好奇心,它既是新技术的试验场,也是高技术的引擎,催生了包括互联网、信息传输等新技术和耐高温、耐辐射等多种新材料的出现和发展。

  本期,我们邀请中国科学院高能物理研究所的科学家为大家介绍几项中国科学家主导的探索宇宙的大科学工程。

  “慧眼”:“活捉”黑洞与中子星

  2017年6月15日成功发射的“慧眼”卫星,是我国首颗X射线天文卫星。“慧眼”卫星对银河系开展巡天扫描,黑洞、脉冲星、伽马暴……这些未解之谜都是“慧眼”的研究范围。“慧眼”卫星是中国空间科学先导专项中最贵、最重、科学仪器最多的卫星,曾有科学家评论,它将改变空间高能天文研究长期依赖国外卫星观测数据的状况。

  “慧眼”卫星在轨测试和正式交付以后,取得了黑洞及中子星双星观测、伽马射线暴、引力波电磁对应体探测等多项科研成果。例如,2017年10月16日,双中子星并合产生引力波联合观测成果全球发布,“慧眼”卫星参与了观测并发挥了重要作用,对引力波高能电磁辐射对应体进行监测并确定了伽马射线的流量上限。2020年9月,“慧眼”卫星在高于200千电子伏特(keV)的能段发现了黑洞双星系统的低频准周期振荡(quasi-periodic oscillation,QPO),这是迄今为止发现的能量最高的低频QPO现象。研究表明,其起源于黑洞视界附近的相对论喷流(向外高速运动的等离子体流)的进动,为解决一直以来存在争议的低频QPO物理起源问题提供了重要依据。日前,“慧眼”团队宣布发现了第一例与快速射电暴成协的非热X射线暴并且证认其来自于具有超强磁场的年轻中子星。这些成果标志着“慧眼”卫星开拓了对黑洞和中子星的X射线宽能段光变和能谱研究的新窗口。

  新一代“慧眼”——增强型X射线时变与偏振(eXTP)空间天文台也在研制过程中,预计于2027年前后发射升空,将有望成为在2027—2035年间该领域国际领先的旗舰级X射线空间天文台。eXTP是由中国科学家发起和主导的重大国际合作空间科学项目,合作组成员来自中国、意大利、德国、西班牙、英国、法国、荷兰、瑞士等二十多个国家、地区和组织的一百多个研究单位。它的主要科学目标可以概括为“一奇二星三极端”,“一奇”是指黑洞,“二星”即中子星和夸克星,“三极端”是指极端引力条件下的广义相对论、极端磁场条件下的量子电动力学和极端密度条件下的量子色动力学等理论。这些观测数据有望为终极回答黑洞附近会发生什么,真空量子涨落产生什么,中子星内部是什么物质状态等重大科学问题作出贡献。

  “拉索”:在世界屋脊探索宇宙线

  在海拔4410米的四川省稻城海子山,占地1.36平方公里、投资超过10亿元人民币的高海拔宇宙线观测站LHAASO已经初步建成,并开始作出重大科学发现。它的目标是寻觅来自宇宙深处的“天外来客”——宇宙线。

  高能宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109~1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。宇宙线弥漫在整个宇宙,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,它是“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。自1912年被发现以来,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。在宇宙线的研究中,发现了许多基本粒子,开创了粒子物理学,诞生了5位诺贝尔奖得主。

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