深海懸鈴佈陣解宇宙之謎

本報記者 易蓉

在南海北部一片深約3.5公里的深海平原，將垂懸起一大片“海鈴”，它們如同海藻般生長於海底，被海水輕撫，將在寂靜海底靜聽寰宇，為人類解開宇宙未解之謎提供關鍵線索。

中國首個深海中微子望遠鏡“海鈴計劃”迎來新進展——由上海交大牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務並取得重要進展，相關論文昨天發表於《自然·天文》雜誌。

這不是科幻故事，而是已經到來的多信使天文學時代中國科學家引領的可見計劃。記者今天從上海交通大學李政道研究所獲悉，由上海交大牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務，測量驗證了候選海域作為中微子望遠鏡台址的可行性，完成海鈴中微子望遠鏡的概念設計，相關論文昨天發表於《自然·天文》雜誌。

探測捕捉“幽靈信使”

每秒鍾有數百萬億個太陽中微子穿透我們的身體，它不帶電，通過弱相互作用與物質反應，猶如幽靈一般在宇宙中穿行。也因此可以輕鬆逃逸緻密宇宙和天體環境而不改變方向，成為研究極端宇宙的理想信使，是瞭解宇宙大爆炸、黑洞爆發機制，解答宇宙射線起源等百年謎題的密鑰。有關中微子的研究已多次刷新對基本物理規律的認知，四次榮獲諾貝爾獎。

目前，國際上最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）於2010年建成，將探測器陣列建在2500米深的南極冰層中；此外，在地中海和貝加爾湖均有部分深水中微子望遠鏡陣列正在運行。“當下，世界主要發達國家都在積極籌建性能優化的二代中微子望遠鏡，提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代望遠鏡的建成，有望催生中微子天文學和基礎物理學的新突破，”海鈴計劃首席科學家、李政道學者徐東蓮說。

“儘管中微子探測很難，但這一新興學科具有不可估量的科學潛力，過去十年許多國家都在建設中微子望遠鏡。”景益鵬院士認為，海鈴的總體性能高於目前運行和升級中的中微子望遠鏡，將能探測更多高能天體中微子，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警；高靈敏度地觀測更廣闊的天區，發現新的中微子源。

由上海交大李政道研究所發起並牽頭的“海鈴計劃”旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，由中國科學院院士景益鵬擔任項目負責人，將與已佈局的多波段望遠鏡和低能中微子觀測站一同促進和完善我國多信使天文觀測網。

深海懸“鈴”首戰告捷

與極地、湖泊相比，在深海建造中微子望遠鏡更難。2021年，來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等機構的近80位科研人員與技術人員開啟征程，合作研製適用於4000米深海環境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統。

首批探路者團隊還開展了海試，在我國南海北部發現一塊水深大於3500米的深海開闊盆地，滿足建設大型望遠鏡陣列的要求，可以利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球對面穿透而來的中微子；清澈海水可更清晰地“錄製”中微子與海水反應的蹤跡。

“我們就像向深海發射火箭一樣，當海鈴實驗艙到達深海，成功運行，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，“預選天文台台址位於赤道附近，可以通過地球自轉探測360度全天域中微子，與南極冰立方以及北半球其他中微子望遠鏡互補。”

探路者團隊通過部署自研的高靈敏感光元件探測球艙部分驗證了未來海鈴望遠鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數據採集系統、數據分析與模擬、深海潛標布放等核心技術。

南海陣列靜聽寰宇

在科技部、上海科學技術委員會和上海交大的支持下，海鈴一期項目啟動，擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，並通過長距離海纜連接南海某島基地，預計2026年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，開展對銀河系內外的天體源搜索，並完成建設大陣列的全鏈技術驗證。

此次發佈的藍圖還揭示了海鈴計劃的終極大陣列——在直徑約4公里、總面積約為12平方公里範圍內，將包括約1200根望遠鏡串列，每根線纜長約700米、間距70—100米，搭載約20個高解像度光學探測球艙；每個新型混合探測球艙將在艙內表面像果蠅複眼結構佈局器件，實現無死角觀測。

“海鈴”的設計壽命為20年，可監測7.5立方公里體積海水的高能中微子反應。根據計劃，該望遠鏡將於2030年建成。科學家樂觀預計，海鈴陣列建成後一年內就能夠發現鯨魚座中的棒旋星系的穩定中微子源，併發現類似於冰立方利用十年的數據才初步觀察到的超大質量黑洞的中微子爆發。