“拉索”能否揭开银河系宇宙线起源之谜？对话中科院院士曹臻｜中国科学十大进展

来源：封面新闻

封面新闻见习记者 赵雨笙 记者 代睿

专访·背景

近日，国家自然科学基金委员会发布2023年度“中国科学十大进展”。其中，“‘拉索’发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子”入选。

专访·嘉宾

曹臻

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员。

中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻。受访者供图

“‘拉索’国际合作组观测研究的重要意义，在于首次记录了伽马暴万亿电子伏特光子爆发的全过程，解释了史上最亮伽马暴的成因。这是中国大科学装置在获取原创成果、抢占科技竞争制高点方面取得的又一重大进展。”

这段评价，来自最新一届“中国科学十大进展”评选专家委员会。

“拉索”（LHAASO），位于四川省甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。这个以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列，以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。

数千年来，浩瀚的宇宙吸引着人类不断观测和猜想。在不少科学迷的眼中，对于“拉索”，还有着这样的理解——世界海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置。

正是凭借“拉索”前所未有的高灵敏度和大视场优势，由中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻领导的高海拔宇宙线观测站国际合作组，在国际上首次完整记录了伽马射线暴万亿电子伏特以上高能光子爆发的全过程，包括高能光子亮度在早期的快速增强过程，以及后期亮度突然快速减弱，由此确定此伽马射线暴的极端相对论喷流具有迄今已知最小的张角，揭开了此伽马射线暴成为史上最亮的秘密。

“拉索”为何重要？研究伽马射线暴对探索宇宙有何意义？为何“拉索”让中国走向国际宇宙线研究前沿？近日，封面新闻记者专访曹臻。

“拉索”为何如此重要？

时间，闪回到10个月前的2023年5月10日。

那一天，作为国家重大科技基础设施的高海拔宇宙线观测站“拉索”，顺利通过国家验收。

“拉索”全景航拍图。中国科学院高能物理研究所供图

其实，早在2021年7月，“拉索”就已建成并开始高质量运行。它第一次扬名四海，应该是2023年6月9日，它对命名为GRB 221009A的迄今最亮伽马射线暴的最新观测研究成果，在线发表于《科学》杂志，首次完整记录了大质量恒星死亡瞬间万亿电子伏特伽马射线爆发全过程。

“大科学装置分为两类，一类是直接服务经济社会建设的通用型装置；另一类是以科学研究为导向的专业型装置。”曹臻对封面新闻记者表示，以“拉索”为代表的大科学装置，是推动科技创新、突破关键核心技术的利器。

“我们以前用的大多是别人的‘二手’观测数据，现在‘拉索’能提供第一手的观测结果。”曹臻认为，“拉索”能让新的发现不断涌现，而这些新的观测结果，对丰富宇宙线的认知体系将起到重要作用。

“拉索”如何解开20亿年前的谜团？

时间，回溯到约20亿年前。

在科学家的研究中，正是那个时间，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，释放出一朵持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。

“拉索”观测到的伽马暴GRB 221009A高能光子爆发的全过程。中国科学院高能物理研究所供图

火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子，穿过茫茫宇宙，飞向地球。

2022年10月9日21时20分50秒，这些伽马光子抵达“拉索”的视场范围，其中6万多个伽马光子被“拉索”收集到。

那一晚，我国极目空间望远镜和慧眼卫星与“拉索”一起同时探测到了这一“最亮伽马暴”。这也是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测。

此后，经过数月的分析，科学家们终于揭开了这场爆炸事件的面纱。

曹臻向封面新闻记者表示，此次“拉索”收集到的信号细节表明，探测到的光子来源于伽马射线暴事件主爆之后的后随爆炸。

“‘拉索’首次精确观测了后随爆炸的完整过程，记录了万亿电子伏特伽马射线流量增强和衰减的整个阶段。”曹臻表示，“拉索”观测实现了其他实验没有达到的高能量波段光变过程的教科书式的完整观测，对理论模型的精确检验提供了实验基础。“‘拉索’是全球唯一没有被‘亮瞎’且记录下完整过程的设备。”

此前，凭借对上万个伽马射线暴的观测，科学家已建立近乎完美且令人深信不疑的理论模型。而“拉索”这次“教科书”般的完整观测对理论模型提出了新的挑战。《科学》杂志审稿专家认为，这是一项非凡的实验结果，它为理解伽马射线暴提供了一个全新视角。

“拉索”能揭开银河系宇宙线起源之谜吗？

时间，跳回到2024年2月26日。

那一天的《Science Bulletin》（《科学通报》）封面文章，解析了迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。

而这篇文章的源起，正来自“拉索”国际合作组在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，这也是历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体。

2024年2月26日，《科学通报》封面刊发“拉索”国际合作组在历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体的研究成果。中科院高能物理研究所供图

宇宙线，又称宇宙射线，是从外太空来的带电粒子。宇宙线的主要成分为质子，它们时刻造访地球。宇宙线的起源是当代天体物理学最重要的前沿科学问题之一。

而这一天，距离奥地利科学家赫斯1912年首次发现宇宙线，已过去了112年。在此间的百余年，与之相关的探索研究已产生6枚诺贝尔奖牌，但人类始终没有发现宇宙线的起源。

“宇宙线来自哪里，它们如何被加速到如此之高的能量，一直是困扰科学家的问题。”曹臻说。

曹臻向记者举例，就像古生物学家通过分析数百年前的化石，就可以推测数百万年前的环境什么样。当天体物理学家接收到几十亿年前的星星发过来的射线，就可以通过这束射线来研究几十亿年前的宇宙。曹臻形象地把宇宙线研究比喻成“考宇宙的古”。

曹臻相信，随着观测时间增加，“拉索”将可能探测到更多千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。