天鹅座“情书”稻城收启

曹臻在高海拔宇宙线观测站沙盘前留影（2021年2月23日摄）。新华社记者 金立旺 摄

宇宙线发现后的100多年来，与之相关的研究获得5次诺贝尔奖，但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此高的能量？它们飞往地球的旅途中经历了什么？它们在宇宙演化各阶段起什么作用？

5月17日，中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了重大发现——国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到来自天鹅座内的最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿）。专家表示，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速机制的传统认知，开启“超高能伽马天文学”的时代。

这些发现跟我们日常有什么关系？每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗？记者近日专访了LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻。

为何研究宇宙线？

●宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径

●宇宙造了比人类造的高100倍的加速器，这促使我们继续去探索宇宙线产生机制及加速原理，对宇宙和人类未来做更深入的解读

●高能量的加速器，目前还没直接进入日常生活，但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段

她

宇宙线

●昵称：“宇宙大事件”的信使

●籍贯：天鹅座

●诞生时间：不详，也许几万年前，也许几亿年前

●构成：90%是质子，其次是氦核，约占9%，剩下是其他各种元素的原子核、少量光子、电子、中微子以及反物质粒子

●谜团：作为来自外太空的唯一物质样品，宇宙线携带着其产生地“源”天体及其经过空间的宇观环境，乃至天体演化及宇宙早期的奥秘

一封来自太空的情书

我是高能粒子，我从宇宙深处天鹅座而来，奔向蓝色地球！

不只千万里，奔行亿万年，逐你而来。

没有乌云遮挡，天空清澈透亮；我知道，你就在那里！

那是四川，那是稻城，那是海子山，我一头扎向你的怀抱……

与你亲密相会，与你浪漫相拥。

这一拥，如此甜蜜，又意义非凡——

我改变了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”的时代。

一定程度上改变了人类对银河系的认知，也为破解宇宙线起源这个“世纪之谜”迈出了重要一步。

苍穹为证，繁星为证。我来自哪里？我为何飞得这么快？我为何有如此高的能量？我在飞往地球的旅途中经历了什么……

这一切，我慢慢告诉你……

他

高海拔宇宙线观测站

●昵称：因为从高处看，占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱，放置在群山之间，科学家们称其为“孔方兄”。

●籍贯：四川省稻城县海子山

●诞生时间：主体工程于2017年开始建设，全部设施有望于今年6月完工，实现全阵列科学观测

●构成：5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的1平方公里地面簇射阵列，78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列

●目标：探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源；测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线加速和传播的规律，探索新物理前沿

人类生活的环境被大气层保护得很好

记者：每时每刻光顾着地球，宇宙线对人体有害吗？

曹臻：没有。因为超高能的光子非常少。像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中，非常稀少。

其次，我们的地球有个保护膜，就是大气层。大气层虽然感觉看起来很“稀薄”，但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核，产生簇射过程，能量会被分解掉。经过分解后，落在人身上的能量就不高了。

我们人类就是在这个环境中演化而来的，这些粒子也是我们的生存环境之一。人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内，被大气层保护得很好，这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。

改变了对银河系粒子加速机制的传统认知

记者：宇宙线的研究有什么意义？

曹臻：宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。

人类对粒子物理的认知，从宇宙线发现单个粒子的存在，到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识，花了一个世纪的时间，就是靠加速器实现的。

人类建加速器的历史不长，上世纪50年代才有大规模的粒子加速器建设起来，最大的比我们桌子大不了多少。上世纪末有了重大突破，达到27公里周长的规模。

我们纠结的是，现在建加速器的方法，基本是上世纪50年代的方法。要建很大的加速器，只能越做越大。新的现象可能带来新的理论，我们可以基于此次发现探究其源头，学习宇宙加速器的机制。

记者：LHAASO的这些发现，为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知？

曹臻：大家普遍认为，银河系并不是非常活动剧烈的星系，质量和活跃程度都很中庸。因此得出结论，银河系的天体也不是很活跃，不应该产生能量特别高的粒子。故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系。这是我们对传统银河系的认知。但是LHAASO观测到，银河系里有一些天区，比如天鹅座，充满了非常多的大质量恒星。这些恒星质量大，不稳定，快速死亡，快速产生。这样的恒星形成区产生高能量粒子，就是稀松平常的事儿了。

因此，科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。证明银河系并不这么温和稳定，只是我们所处的太阳系位置比较边缘，比较稳定。

高能量的加速器，对生活会越来越重要

记者：和我们的生活有什么关系？

曹臻：高能量的加速器，目前还没直接进入日常生活，但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段。比如在一些大型医院里，加速器作为肿瘤治疗的基本手段，已经进入我们的生活。

我们在东莞建设的散裂中子源，就是一个非常大的加速器。其产生的中子束流，其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究。近日我们高能所开战略研讨会，其中两个报告就谈到，用中子源进行肿瘤治疗，效果很好。高能量的加速器，对生活会越来越重要。

大科学装置的建设，对相关产业带来提升和影响。我们使用的设备几乎都靠自主发明和制造，对相关配套产业提出苛刻的要求。生产制造企业通过和我们的合作，不断改进技术，一些技术达到世界领先水平。比如我们使用的光电倍增管，有半米长，日本的售价卖到了6万至7万元一支。我们帮助南京的一家企业成功突破了这个设备，还用到更好的技术，日本的价格一下降到2万元左右。

LHAASO产生的数据，贡献是对全人类的

记者：我们的探测数据对国际科学界开放吗？

曹臻：我们的基础研究都是开放的。瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四五个单位也加入我们的研究课题。

一方面，LHAASO产生的数据，贡献是对全人类的。对宇宙线这样的前沿学科来说，需要大家共同努力。另一方面，我们在这个领域的研究能力并不是世界最领先的，运用优质的观测数据和世界顶级科学家的合作，能提升我们的队伍和研究能力。

揭秘历经5年，LHAASO选址稻城海子山

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）为什么建在四川？

LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻透露，高海拔宇宙线观测站的选址历经5年时间，项目在四川、西藏、青海、云南等多个省区进行了踏勘和考察。最后综合判断，选择了四川甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。

原因有几个方面。首先，海子山自然条件非常好，海拔高。海拔不够，想要探测的粒子可能被大气吸收掉。如果同样的探测器在1000多米高的地方，就得不到今天的重大发现。

其次，建设200个足球场这么大的阵列，必须地势平坦。探测器内部需要大量超纯净水，需要良好的交通和通信，这些都能满足。

这个过程中，离不开四川省各级地方政府的大力支持。基础设施上，修了20多公里长的道路，几公里长的水渠，1188个探测器位置的场平，49公里输电线路，还有变电站……各级政府非常支持，在各个方面都给予大量的协助。

现在这是世界上最好的站点之一。亚丁机场交通便利，给项目提供了巨大的方便。雅康高速的开通，从理塘到亚丁的高水平国道，给项目运输提供了便利。有欧洲科学家来后感叹，“想都想不到的建设速度！”（四川日报全媒体记者 徐莉莎）