我國將邁入“多信使天文學新時代”

張雙虎

日前，上海交通大學李政道研究所發布了南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”藍圖。“海鈴計劃”由上海交通大學李政道研究所發起并牽頭，旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，通過捕捉高能天體中微子來探索宇宙，加速構建多信使天文網，推動粒子物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究。該項目由中國科學院院士景益鵬擔任負責人、李政道研究所副教授徐東蓮擔任首席科學家。

1609年伽利略發明了望遠鏡，極大推動了天文學的發展。此后400多年，許多天文觀測主要基于捕捉宇宙中傳來的光子實現，如著名的哈勃空間望遠鏡、詹姆斯·韋布空間望遠鏡等，但光子僅是宇宙發送的眾多信使之一。

為進一步揭開宇宙起源與演化的奧秘，人類不斷嘗試探尋其他信使的蹤影。

2013年，南極冰立方（IceCube）首次“看”到來自宇宙的高能中微子。2015年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）通過引力波“聽”到了兩個黑洞合并的壯觀場景。這兩大發現標志著結合光子、引力波和中微子攜帶的信息，揭開宇宙奧秘的“多信使天文學時代”即將來臨。

科學家對中微子性質的研究已多次刷新基本物理認知，并4次榮獲諾貝爾獎。但中微子仍有諸多未解之謎，如中微子的絕對質量是多少、它們是否為自身的反粒子等，有必要對中微子進行更深入的探究。

由于如幽靈般有極強的穿透力，中微子可輕松逃脫極端、致密的宇宙和天體環境而不改變方向，是研究極端宇宙的理想信使。宇宙大爆炸、超新星爆發、雙中子星并合、黑洞爆發均伴隨大量中微子的產生，探測這些中微子將幫助人們理解這些劇烈過程背后的機制。

中微子天文學起源于1960年蘇聯物理學家馬可夫提出的在深海或湖里建造切倫科夫光探測元件陣列的構想。目前世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡IceCube選擇將探測器陣列建在2500米深的南極冰層中。此外，在地中海的KM3NeT和在貝加爾湖的Baikal-GVD中微子望遠鏡項目中，均有部分深水中微子望遠鏡陣列在運行。

“倘若探測到宇宙射線源頭伴生的中微子，就能直接溯源，確切解答宇宙射線起源的百年謎題。”徐東蓮說。

深海工程技術的飛速發展，使我國建設深海中微子望遠鏡成為可能。我國在多波段望遠鏡、空間引力波和低能中微子觀測站方面均有布局，海鈴中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網中空缺的重要一環。

2021年9月，由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目完成首次海試任務。來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所等機構近80位專家參與其中。

上海交通大學李政道研究所等機構研制出適用于4000米深海環境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統。合作單位中，中國科學技術大學團隊完成了光電管測試、后端電子學研制；清華大學團隊完成了高精度時鐘同步系統；自然資源部第二、第三海洋研究所團隊主導了流速剖面、溫度、鹽度等深海水文數據的采集和分析。

海試成功測量了預選海域的深海流速、原位海水光學性質、放射性本底，驗證了候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性，為“海鈴計劃”的后續推進奠定了基礎。

在此基礎上，“海鈴計劃”團隊完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設計。相關論文近日在《自然-天文》上發表。

“中微子望遠鏡以整個地球為屏蔽體，接收從地球對面穿透而來的中微子。”該論文共同第一作者、上海交通大學李政道研究所博士后葉子平說，“由于位于赤道附近，海鈴中微子望遠鏡可以通過地球的自轉探測360度全天域的中微子，與南極的IceCube以及北半球的其他中微子望遠鏡完美互補。”

“海鈴計劃”的預選臺址位于南海北部一個海底平原。那里深約3.5公里，海床平整，流速平緩，且海水放射性與普通海水的公開數據一致。

預選臺址海水的光學屬性也能滿足建設大型望遠鏡陣列的要求。“海鈴探路者”項目團隊在預選臺址約3420米水深處原位測量了海水的光學性質，結果顯示其平均吸收和散射長度分別約為27米和63米。清澈的海水可更清晰“錄制”中微子與海水反應的線索，更有利于重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。同時，該團隊在候選臺址成功布放探測球艙，部分驗證了耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數據采集系統、數據分析與模擬、深海潛標布放等核心技術。

基于上述結果，研究團隊利用上海交通大學“思源一號”科學計算平臺進行模擬計算，正式提出海鈴中微子望遠鏡的概念設計。

研究團隊創新性地提出了新型混合探測球艙概念設計——艙內表面緊密覆蓋多個能探測單光子的光電倍增管（PMT），形成類似于果蠅復眼的結構，同時利用PMT之間的空隙安裝超快時間響應的硅光電倍增管，進一步優化中微子探測性能，實現無死角觀測不同方向的中微子。該團隊預計，陣列建成后一年內就能發現鯨魚座中棒旋星系NGC 1068的穩定中微子源，并能發現IceCube僅收集到初步證據的TXS0506+056耀星體中微子爆發。

2022年底，在科技部、上海科學技術委員會和上海交通大學的支持下，海鈴一期項目啟動。海鈴一期擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，并通過長距離海纜連接南海某島基地。預計2026年海鈴中微子望遠鏡將成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，對銀河系內外的天體源展開搜索，并完成建設大陣列的全鏈技術驗證。預期在2030年前后，其將成為國際上最先進的中微子望遠鏡。

“中微子天文學正站在重大突破的門檻上。”徐東蓮說，“當前，世界主要發達國家都在積極籌建二代中微子望遠鏡，以在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。海鈴中微子望遠鏡的建成，有望實現中微子天文學和基礎物理學的新突破。”