南海深处将建12平方公里中微子望远镜阵列

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中国南海深海处将增加一双新的“眼睛”，寻找来自宇宙深处的“信使”。上海交通大学李政道研究所昨天正式发布南海大型中微子望远镜阵列“海铃计划”（TRIDENT）蓝图。      这一离赤道最近的中微子望远镜阵列将利用整个地球作为屏蔽体，并通过地球自转360度接收从地球对面穿透而来的中微子，同时与现有的国际合作项目——南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成完美互补，共同溯源并探寻宇宙的奥秘。      目前，我国在多波段望远镜、空间引力波和低能中微子观测站均已有布局。从深空、深地到深海，建成后，总占地面积约12平方公里的深海中微子望远镜阵列将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要部分。      海铃中微子望远镜概念设计的相关论文10月9日发表于《自然·天文》杂志。      四获诺奖的中微子研究仍有诸多未解之谜中微子于1930年首次被理论预言，但直到1956年才被实验观测到。据“海铃计划”负责人、中国科学院院士、上海交大物理天文学院教授景益鹏介绍，宇宙中常常会发生黑洞与中子星碰撞之类的“暴力事件”，这也是物理学与天文学研究中的重要事件。但在这些“暴力事件”中，望远镜可观测到的光子往往会被吸收、散射，只有那些产生于“暴力事件”核心区并且能透过核心区的信息才能让我们追溯宇宙大事件。      中微子不带电，主要通过弱相互作用与物质反应，每秒钟就有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体。中微子犹如幽灵般在宇宙中穿行，极难被捕获。也正因此，它可以轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，被认为是研究极端宇宙的“理想信使”。宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随大量中微子的产生，探测到这些中微子将帮助人类理解这些剧烈过程背后的机制。      景益鹏举例说，宇宙中的高能粒子，即宇宙射线在百年前就被发现，通常认为它们起源于多种剧烈的天体过程，但由于宇宙射线在星际传播中受磁场作用发生偏转，无法直接溯源，“如果我们能探测到宇宙射线源头伴生的中微子，就能直接溯源，确切解答宇宙射线起源的百年谜题”。      科学家对中微子性质的研究已多次刷新了人们对基本物理规律的认知，并四获诺贝尔奖，但其仍有诸多未解之谜。对中微子更深入的探究，或再次颠覆人们对基本物理规律的认知。      中微子天文学是多信使天文学时代的重要组成从天文望远镜观测，到LIGO发现引力波，再到中微子探测，如今天文学已开启多信使天文学时代，其中，中微子天文学正成为多信使天文学的重要组成。      据介绍，自从1609年伽利略发明了望远镜，天文观测就主要基于捕捉宇宙中传来的光子来实现，如著名的哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯望远镜等。为进一步揭开宇宙起源与演化的奥秘，人类不断尝试探寻其他信使的踪影。      中微子天文学的思想起源于1960年苏联物理学家马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的构想。      目前，全球最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）就选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。2010年建成后，2013年冰立方就首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流；2015年，LIGO实验首次通过引力波“听”到了两个黑洞合并的壮观场景。这两大发现标志着结合光子、引力波和中微子携带信息揭开宇宙奥秘新时代的来临：多信使天文学时代。      此外，在地中海的KM3NeT项目和在贝加尔湖的Baikal-GVD项目均有部分深水中微子望远镜阵列在运行中。景益鹏称，当下，世界主要发达国家都在积极筹建性能大大优化的二代中微子望远镜。二代望远镜的建成，有望催生中微子天文学和基础物理学的新突破，可以说，中微子天文学正处于重大突破的门槛上。      “海铃计划”将建成世界首个近赤道的中微子望远镜上海交大李政道研究所的李政道学者徐东莲是“海铃计划”的首席科学家，也正是她在2020年8月代表李政道研究所提出这一计划。该计划希望探索建设中国首个深海中微子望远镜，通过捕捉高能（亚TeV到PeV量级）天体中微子来探索极端宇宙，为我国填补该领域的空白，推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究，拓展人类认知的边界。      按规划，“海铃计划”在2026年将建成世界首个近赤道的小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源的搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。其后，边观测边建设，海铃终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，直径约4公里，总占地面积约12平方公里，超越升级后的冰立方，预期在2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。      “正是得益于‘十二五’以来我国在深海工程技术方面的飞速发展，建设深海中微子望远镜才成为可能。”徐东莲告诉记者，这也是我国在中微子天文学这一新兴领域迎头赶上甚至超越国际前沿的科学时机。      该项目于2020年8月正式提出，仅仅一年里，上海交大李政道研究所、物理天文学院、船建学院的团队合作研制了适用于4000米深海环境、携带高灵敏感光元件的探测球舱和相应的深海布放系统。2021年9月初，由上海交大牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务，来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所、向阳红03号科考船等机构的近80位科研技术人员共同参与。      预计海铃阵列建成后，一年内就能发现鲸鱼座中的棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源，并发现类似于冰立方利用十年的数据才初步观察到的TXS 0506+056耀星体（一个正在吞噬物质的超大质量黑洞）的中微子爆发。