灼熱望遠鏡以整個地球為盾牌，捕捉從地球另一側(cè)穿透的中微子，通過地球自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天探測。

“中微子是非常神秘的宇宙幽靈使者，也是研究極端宇宙的有力工具，它們是連接宇宙中偉大與微小的完美橋梁。我們捕捉它們，了解最微小的細節(jié)，聆聽它們的聲音。”宇宙。”

文字| 《瞭望》 新聞周刊記者潘旭冬雪

人們?nèi)绾握J識宇宙？除了可見光還有其他方式嗎？

《瞭望》新聞周刊記者近日在上海交通大學李正道研究所獲悉，為了洞察宇宙，這里的科學家啟動了史無前例的深海項目——“海鐘計劃”。他們的目標大膽而明確：在海底建造世界上最強大的中微子望遠鏡，并通過捕獲高能中微子來解答宇宙射線起源等謎團。

根據(jù)現(xiàn)代科學研究結(jié)果，140億年前的大爆炸創(chuàng)造了時間、空間和萬物，包括宇宙中的基本粒子，它們是構(gòu)成宇宙的最小單位。其中，中微子的表現(xiàn)最為驚人。它們幾乎不與物質(zhì)發(fā)生反應，并且可以逃離稠密的天體環(huán)境。它們是研究極端宇宙的理想使者，在過去十年中備受天文學家的關(guān)注。

根據(jù)概念設計，團隊將在我國海域赤道附近水深約3.5公里的深海平原上建造直徑約4公里、面積約12平方公里的探測器陣列。該陣列由1200 根電纜組成，這些電纜像巨型海藻一樣垂直固定在海底。每根電纜長約700 米，彼此間隔70 至110 米。每根電纜承載著20個光學探測艙，就像深海中的一串鐘聲，等待著高能中微子的到來。

相關(guān)創(chuàng)新研發(fā)技術(shù)與裝備、海試選址、概念設計等研究成果于2023年10月9日發(fā)表在國際學術(shù)期刊《自然·天文》上。一期項目建設已于2022年底啟動。

“海鈴望遠鏡將以整個地球為盾牌，捕捉從地球另一側(cè)穿透的中微子，通過地球自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天探測?！崩钫缹W者、上海交通大學李政道研究所項目負責人徐冬蓮表示，通俗地說，這臺深海望遠鏡“仰視”宇宙的方式不一樣。它不是“向上看”，而是“向下看”。

史無前例的深海項目

中微子廣泛存在于宇宙中，是數(shù)量僅次于光子的亞原子粒子。它的誕生往往與宇宙中的極端事件有關(guān)，如宇宙大爆炸、超新星爆炸、雙中子星并合、黑洞爆炸等。其中，高能中微子主要來源于宇宙射線與塵埃和塵埃的碰撞。氣體。

在上海交通大學李政道研究所，記者看到了多個玻璃球，其大小與兩個足球的直徑差不多。它們就是——個光學探測球，是海陵中微子望遠鏡的基本組成部分。透過玻璃蓋可以看到球面上排列著圓形和方形兩種光學探測器。這是一項重大的技術(shù)創(chuàng)新。兩個探測器的混合使用使得探測球既具有較大的光子收集面積，又具有快速的時間響應（稍后會詳細介紹）。

“光學探測球的作用是收集中微子與海水反應后發(fā)出的光，并利用它來推斷中微子的性質(zhì)?！毙於彵硎?，中微子不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用不強烈，可以像幽靈一樣行動。它還能無障礙地穿越宇宙，很少丟失其所攜帶的宇宙信息，但因此直接探測起來極其困難。研究人員只能通過中微子的殘留物與透明介質(zhì)（例如水和冰）發(fā)生反應來間接檢測到它。

野外大面積的透明介質(zhì)可以是海洋、湖泊或冰川。如何選擇海貝爾望遠鏡？

回顧中微子天文學的發(fā)展，世界上第一個高能中微子探測裝置選擇了冰川：2010年，美國在南極洲2.5公里深的冰層下建造了擁有86根電纜的冰立方中微子觀測站。 2013年，首次“看到”來自宇宙的高能中微子。但后來開工的裝置都無一例外地選擇了水體，包括俄羅斯的貝加爾湖裝置、歐盟的地中海裝置以及多機構(gòu)的太平洋裝置。

與冰川相比，水體雜質(zhì)較少，更容易觀察，但流動的環(huán)境會讓施工和運營變得更加困難。徐棟聯(lián)告訴記者：“水基望遠鏡可以實現(xiàn)更好的指向能力，性能提升至少10倍，很難，但值得嘗試?！?

徐冬蓮曾在IceCube學習和工作。 2018年，她回國并加入上海交通大學李政道研究院。依托交通大學在天文學、粒子物理和海洋工程方面的研究平臺，她進一步探索了在我國海域建造中微子望遠鏡的可行性。

“宇宙是無限的，性能大幅提升的中微子望遠鏡可以捕獲更多的中微子。通過多個設備的數(shù)據(jù)共享，世界各地的科學家可以共同探索極端天象，進一步分析極端宇宙。”徐冬蓮說道。

史無前例的深海工程需要“領(lǐng)航員”和“舵手”。中國科學院院士、上海交通大學物理與天文學院原院長景一鵬擔任“海陵工程”項目負責人。他戰(zhàn)略性地回答了“海陵工程”的必要性：

從國際上看，已建成的冰立方位于南極，正在建設的貝加爾湖裝置、地中海裝置、太平洋裝置均位于北半球中緯度地區(qū)。我國海域靠近赤道的地理位置具有得天獨厚的優(yōu)勢。它可以通過地球的自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天空探測，與其他國際設備相輔相成。

從國內(nèi)來看，我國在多波段望遠鏡（如LHAASO、HXMT/eXTP、CSST、FAST）、空間引力波（如太極、天琴）和低能中微子觀測站（JUNO）等方面都有布局。海嶺高能中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網(wǎng)絡尚空缺的重要環(huán)節(jié)，極大促進和完善我國多信使天文觀測網(wǎng)絡建設。

海陵望遠鏡所需的光學探測球（2023年10月10日拍攝） 攝影：劉英/本刊

探索道路！向海底發(fā)射“火箭”

2021年，“海陵工程”將啟動首次海試任務。來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術(shù)大學、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等近80人參加。

一方面是選址，另一方面是自主研發(fā)裝備的首次深海實戰(zhàn)驗證。上海交通大學海洋與建筑工程學院教授田新亮擔任團隊負責人。他說，海試部分驗證了未來海陵望遠鏡的高壓玻璃球艙、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛水標志布等。 Play等核心技術(shù)。

海試過程就像向海底發(fā)射“火箭”。一般來說，火箭發(fā)射后，其所搭載的衛(wèi)星被送入太空，在特定軌道上運行并進行實驗。在此期間，沒有其他設備或人力的協(xié)助，完全依靠衛(wèi)星設備本身的自動化設施。在海上試驗時，探測裝置就像一顆“衛(wèi)星”。被部署裝置送到?jīng)]有任何輔助設施的海底后，將在海底進行自動化實驗，并將數(shù)據(jù)傳回。

記者在上海交通大學李政道研究院看到，此次海試的探測裝置有上、中、下三個玻璃球，固定在六角棱柱結(jié)構(gòu)中。中間是一個發(fā)光球，它發(fā)出已知波長和頻率的光。上、下兩個就是前面提到的光學探測球，負責測量光的到達時間和強度。通過解碼光在傳播過程中的散射和吸收，可以獲得海水的光學特性。

如果把夜光球比作水中的人造月亮，那么兩個探測球就像在給它拍照一樣。霧天拍的月亮是霧蒙蒙的。根據(jù)照片可以分析空氣的含塵量。在水中也是如此。同時上下檢測球和發(fā)光球采用非等距設計，通過相對測量消除系統(tǒng)誤差。

“我們在世界上首次同時使用兩個獨立的光學測量系統(tǒng)來解碼中微子反應中海水的光學特性?！毙於徑榻B，團隊提出了一種新型混合探測球形艙概念設計，緊密覆蓋艙表面多種能源。檢測單光子的光電倍增管形成類似于果蠅的復眼結(jié)構(gòu)。同時，巧妙利用光電倍增管之間的間隙安裝超快時間響應硅光電倍增管，進一步優(yōu)化中微子探測性能，實現(xiàn)無盲點觀測。中微子在不同方向。

第一次海試完成后，團隊獲得了預選地點的全面信息。它是我國赤道附近海域深處約3.5公里的深海平原。海底平坦，海水清澈，海底數(shù)百米范圍內(nèi)流速平緩。具有建造中微子望遠鏡的良好環(huán)境。

“可見光在自來水中的衰減長度一般只有2至3米，預選站址海水的平均吸收長度和散射長度分別約為27米和63米。中微子之間反應的痕跡而海水可以清晰地‘記錄’，更有利于重建中微子的類型、來源的方向以及攜帶的能量?！毙於徴f道。

該望遠鏡必須在深海運行多年，因此團隊必須更加關(guān)注場地的穩(wěn)定性和安全性。返回上海后，他們以1:25的比例模擬了在上海交通大學船舶拖曳池內(nèi)預選站址建站的情況。實驗證實，在預選的流速環(huán)境下，站臺現(xiàn)場，整個探測陣列依然一動不動。

目標是2030年左右成為世界上最有實力的表演者

大型科學裝置的研制一般需要10年時間。中微子望遠鏡從研制到完成將是一個漫長的過程。

在上海交通大學召開的新聞發(fā)布會上，我國天文、物理領(lǐng)域的多位專家表達了對海凌的期待。作為我國首個深海高能中微子望遠鏡項目，他們認為海陵將在四個方面發(fā)揮作用：

一是發(fā)現(xiàn)高能天體中微子來源，準確解答宇宙線起源百年之謎。宇宙射線于1912年被發(fā)現(xiàn)，但一百多年過去了，人們?nèi)匀徊恢浪鼇碜阅睦铩?

二是結(jié)合其他觀測方法，了解驅(qū)動極端天體現(xiàn)象的深層物理定律。

三是推動我國深海精密儀器和檢測技術(shù)發(fā)展。

四是啟動大科學計劃，匯聚全球優(yōu)秀科技人才。海陵建成后，將產(chǎn)生海量的科學數(shù)據(jù)，需要與國際科學家合作才能完成研究。

海凌預計還將推進中微子研究。中微子于1930年首次從理論上被預言出來，直到1956年才被實驗觀測到?？茖W家對其性質(zhì)的研究多次刷新了我們對基本物理定律的認識，相關(guān)成果四次榮獲諾貝爾獎。但中微子仍有許多未解之謎，例如它們的絕對質(zhì)量以及它們是否是自己的反粒子。對中微子的更深入探索可能會再次顛覆人們對基本物理定律的理解。

目前，“海陵工程”已進入兩步建設階段。在科技部、上海市科委、上海交通大學的支持下，一期項目已于2022年底啟動。

“第一階段預計于2026年完成，目標是成為世界上第一臺近赤道小型中微子望遠鏡，可開展銀河系內(nèi)外天體源搜索，并驗證中微子全鏈條技術(shù)?！苯ㄔ齑笮完嚵小！毙於徴f道。

一期工程由潛艇陣列、島基測控中心、崖州灣集裝箱基地和李正道研究院科學中心四部分組成。第一步是在預先選定的地點建造一系列10個望遠鏡，并通過長距離海底電纜將它們連接到附近島嶼的測控中心（用于供電和初步數(shù)據(jù)處理）。最后，數(shù)據(jù)傳回李政道研究院科學中心進行最終分析。

終極大陣包含1200個望遠鏡串聯(lián)，可監(jiān)測約7.5立方公里海水體積中的高能中微子反應，設計壽命為20年。徐冬煉表示，終極大陣預計在2030年左右建成，與世界上其他在建或升級的高能中微子望遠鏡基本同時進行。屆時，它將超越升級后的IceCube，成為世界上最先進的中微子望遠鏡。

2022年，IceCube利用10年積累的數(shù)據(jù)對活躍星系TXS0506+056的耀斑恒星進行了成像，該星系距離地球4700萬光年。這個活躍星系的黑洞覆蓋著大量的塵埃。即使是高能光子也無法逃逸。孩子可以逃脫。

研究小組預計，海貝爾終極大陣列將能夠在建成后一年內(nèi)發(fā)現(xiàn)位于鯨魚座的棒旋星系NGC1068的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似于最初發(fā)現(xiàn)的TXS0506+056的耀斑。 IceCube 使用10 年的數(shù)據(jù)進行觀察。中微子從恒星中爆發(fā)出來。

從深海“仰望”宇宙。正如徐冬蓮所說：“中微子是非常神秘的宇宙幽靈使者，也是研究極端宇宙的有力工具，它們是連接宇宙中偉大與微小完美的橋梁。我們捕捉它們，了解最微小的細節(jié)，聆聽宇宙的聲音?！?