深海懸“鈴”捕捉“幽靈信使”

易蓉

在我國南海北部一片深約3.5千米的深海平原，將垂懸一大片“海鈴”，它們?nèi)缤Ｔ灏闵L于海底，被海水輕撫，將在寂靜的海底靜聽寰宇，為人類解開宇宙未解之謎提供關(guān)鍵線索。

這不是科幻故事，而是已經(jīng)到來的多信使天文學(xué)時代中國科學(xué)家引領(lǐng)的可見計(jì)劃。近來，中國首個深海中微子望遠(yuǎn)鏡“海鈴計(jì)劃”迎來新進(jìn)展——由上海交通大學(xué)牽頭的“海鈴探路者”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成首次海試任務(wù)，測量驗(yàn)證了候選海域作為中微子望遠(yuǎn)鏡臺址的可行性，完成了海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡的概念設(shè)計(jì)，相關(guān)論文發(fā)表于《自然·天文》雜志。

每秒鐘有數(shù)百萬億個太陽中微子穿透我們的身體，它們不帶電，通過弱相互作用與物質(zhì)反應(yīng)，猶如幽靈一般在宇宙中穿行。中國科學(xué)院院士、“海鈴計(jì)劃”負(fù)責(zé)人景益鵬介紹，中微子可以輕松逃逸致密宇宙和天體環(huán)境而不改變方向，成為研究極端宇宙的理想信使，是了解宇宙大爆炸、黑洞爆發(fā)機(jī)制，解答宇宙射線起源等百年謎題的密鑰。有關(guān)中微子的研究，已多次刷新對基本物理規(guī)律的認(rèn)知。

目前，國際世界最大、最靈敏的中微子望遠(yuǎn)鏡冰立方（IceCube）于2010年建成，將探測器陣列建在2 500米深的南極冰層中，因發(fā)現(xiàn)銀河系外高能中微子開啟了河外中微子天文學(xué)新時代。此外，在地中海和貝加爾湖均有部分深水中微子望遠(yuǎn)鏡陣列正在運(yùn)行。“當(dāng)下，世界主要發(fā)達(dá)國家都在積極籌建性能優(yōu)化的二代中微子望遠(yuǎn)鏡，在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代中微子望遠(yuǎn)鏡的建成，有望催生中微子天文學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)的新突破。”“海鈴計(jì)劃”首席科學(xué)家徐東蓮說。

“盡管中微子探測很難，但這一新興學(xué)科具有不可估量的科學(xué)潛力，過去10年，許多國家都在建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡。”景益鵬院士認(rèn)為，“海鈴”的總體性能高于目前運(yùn)行和升級中的中微子望遠(yuǎn)鏡，將能探測到更多的高能天體中微子，確切解答宇宙射線起源之謎；提升約10倍的指向精度，更精確地助力多信使預(yù)警；高靈敏度地觀測更廣闊的天區(qū)，發(fā)現(xiàn)新的中微子源。

由上海交通大學(xué)李政道研究所發(fā)起并牽頭的“海鈴計(jì)劃”旨在探索建設(shè)中國首個深海中微子望遠(yuǎn)鏡，將與已布局的多波段望遠(yuǎn)鏡和低能中微子觀測站一同促進(jìn)、完善我國多信使天文觀測網(wǎng)。

與極地、湖泊相比，在深海建造中微子望遠(yuǎn)鏡更難。2021年，來自上海交通大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等機(jī)構(gòu)的近80位科研人員與技術(shù)人員開啟征程，合作研制適用于4 000米深海環(huán)境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應(yīng)的深海布放系統(tǒng)。

首批“海鈴探路者”團(tuán)隊(duì)還開展了海試，在我國南海北部發(fā)現(xiàn)了一塊水深大于3 500米的深海開闊盆地，滿足建設(shè)大型望遠(yuǎn)鏡陣列的要求，將可以利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆樱宄汉Ｋ筛逦亍颁浿啤敝形⒆优c海水反應(yīng)的蹤跡。“我們就像向深海發(fā)射火箭一樣，當(dāng)‘海鈴’實(shí)驗(yàn)艙到達(dá)深海，成功運(yùn)行，我們收集到有效的回傳信號的時候，大家都很激動，”徐東蓮興奮地分享道，“預(yù)選天文臺臺址位于赤道附近，可以通過地球自轉(zhuǎn)探測360°全天域中微子，與南極冰立方及北半球其他中微子望遠(yuǎn)鏡互補(bǔ)。”

“探測儀器精密，如何將密集陣列安全精準(zhǔn)地安裝到海底？24 000個探測球艙和1 400個海底接駁盒連接成一張網(wǎng)絡(luò)，故障點(diǎn)眾多，運(yùn)行周期長達(dá)20年，發(fā)生故障后設(shè)備可修、可換也需要提前考量。”項(xiàng)目海洋工程與技術(shù)專家、上海交大船舶與建筑工程學(xué)院教授田新亮介紹，團(tuán)隊(duì)解決了許多工程難題，在海試中通過部署自研的高靈敏感光元件探測球艙部分驗(yàn)證了未來“海鈴”望遠(yuǎn)鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛標(biāo)布放等核心技術(shù)。

徐東蓮曾在冰立方國際合作組中學(xué)習(xí)、工作多年，在研究中逐步萌發(fā)了在南海海域建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡的想法。2018年，徐東蓮回國加入上海交大李政道研究所，依托上海交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺，開始進(jìn)一步探索國內(nèi)建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡的可行性。2020年8月，徐東蓮代表“海鈴計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)，在全國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略研討會（青島）上正式提出了南海中微子望遠(yuǎn)鏡——“海鈴計(jì)劃”的建設(shè)規(guī)劃和行動計(jì)劃。

在科技部、上海科學(xué)技術(shù)委員會和上海交大的支持下，“海鈴”一期項(xiàng)目已經(jīng)啟動，擬在選定海域建設(shè)10根望遠(yuǎn)鏡串列，并通過長距離海纜連接南海某島基地，預(yù)計(jì)2026年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠(yuǎn)鏡，開展對銀河系內(nèi)外的天體源搜索，并完成建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)驗(yàn)證。

此次發(fā)布的藍(lán)圖還揭示了“海鈴計(jì)劃”的終極大陣列——在直徑約4千米、總占地面積約為12平方千米的范圍內(nèi)，將包括約1 200根望遠(yuǎn)鏡串列，每根線纜長約700 米、間距70～100米，搭載約20個高分辨率光學(xué)探測球艙；每個新型混合探測球艙將艙內(nèi)表面如果蠅復(fù)眼結(jié)構(gòu)布局器件，實(shí)現(xiàn)無死角觀測。

“海鈴”的設(shè)計(jì)壽命為20年，可監(jiān)測7.5立方千米體積海水的高能中微子反應(yīng)。根據(jù)計(jì)劃，該望遠(yuǎn)鏡將于2030年建成。科學(xué)家樂觀地預(yù)計(jì)，“海鈴”陣列建成后，1年內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚座中的棒旋星系的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似冰立方利用10年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的超大質(zhì)量黑洞的中微子爆發(fā)。

文章來源：《新民晚報》