中關村論壇開幕成果發佈，重大科技基礎設施取得系列國際領先成果

2024中關村論壇年會4月25日開幕，10項重大科技成果發佈，其中重大科技基礎設施取得系列國際領先成果包括三項，分別是FAST 首次探測迄今最短軌道週期脈衝星雙星系統、「拉索」發現史上最亮伽馬暴十萬億電子伏特光子、EAST 實現世界上最長時間可重覆的高約束模等離子體運行。

捕捉宇宙信使——「拉索」發現史上最亮伽馬暴十萬億電子伏特光子

記者從中國科學院高能物理研究所獲悉，基於國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）（以下簡稱「拉索」）的超高靈敏探測系統，科研團隊探測到了史上最亮伽馬射線暴（簡稱「伽馬暴」，編號GRB 221009A），並測量高能伽馬輻射的精確能譜，最高能量超過了十萬億電子伏特，為探索宇宙起源注入了全新的活力。

據中國科學院高能物理研究所研究員、「拉索」國際合作組物理協調人陳鬆戰介紹，伽馬暴是來自天空中某一方向的伽馬射線突然增強的閃爍現象，是宇宙大爆炸之後最劇烈的天體爆炸現象，最早在1967年被發現，2019年以來人類發現了3例伽馬暴輻射光子的最高能量達到1 TeV（1 TeV=1萬億電子伏特）。

2022年10月9日，「拉索」記錄到來自伽馬暴GRB 221009A高達10 TeV以上的伽馬光子，在近60年的伽馬暴研究歷史上具有里程碑意義。GRB 221009A是史上最亮伽馬暴，產生於一顆比太陽重20多倍的大質量恒星在燃料耗盡時的塌縮爆炸，此前「拉索」精細測量了其TeV輻射隨時間完整的變化行為，確定了其輻射起源於餘輝輻射，並揭示了記錄到此伽馬暴歷史最亮的成因，相關成果於2023年6月在《科學》（Science）上發表。

此後，「拉索」正式發佈了伽馬暴GRB 221009A的高能伽馬輻射的精確能譜，最高能量超過了十萬億電子伏特，該結果挑戰了傳統的伽馬暴餘輝的標準輻射模型，揭示出宇宙背景光對高能伽馬光的吸收低於預期，紅外波段宇宙背景光強度僅為現有宇宙學模型預期的40%左右。這一結果將促使人們重新考慮宇宙中星系的形成和演化過程。同時，該能譜為檢驗愛恩斯坦相對論的適用範圍、探索暗物質候選粒子——軸子等新物理研究方面提供了重要信息。相關結果於2023年11月15日在《科學進展》（Science Advances）上發表。

「拉索」是國家重大科技基礎設施，位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18台廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列。「拉索」於2021年7月建成並開始高質量穩定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，具有大視場和全天候的特點，每天可以監視2/3的天區範圍，這次發現充分體現了「拉索」國際領先的靈敏度和獨特優勢。

未來能源之源——EAST 實現世界上最長時間可重覆的高約束模等離子體運行

據中國科學院合肥物質科學研究院研究員龔先祖介紹，2023年4月12日21時，正在運行的世界首個全超導托卡馬克EAST裝置獲重大成果，成功實現了403秒穩態長脈衝高約束模等離子體運行，創造了托卡馬克裝置高約束模式運行新的世界紀錄。4月13日19時，再次重覆了403秒穩態長脈衝高約束模等離子體運行，標誌著EAST全超導托卡馬克裝置高參數長脈衝穩態運行的可靠能力。

EAST是世界上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，中文名稱為「東方超環」。它於2000年開工建設，2006年建成並投入運行。EAST實驗裝置可以對受控核聚變相關的前沿物理問題開展探索性的實驗研究，被稱為中國「人造太陽」。太陽每天釋放出大量的光和熱，因為它的內部不斷進行核聚變，「人造太陽」的反應原理和太陽一樣。

核聚變能是清潔低碳、安全高效的新能源。氫的同位素氘和氚發生聚變反應生成氦，核聚變原料和生成物都沒有放射性，海水中蘊藏著大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03克的氘，其發生聚變反應釋放的能量相當於燃燒300升汽油或者燃燒336公斤煤。這樣算下來，地球上的海水可以供人類使用上億年。

要創造出能夠聚變反應的環境和條件，需要上億攝氏度的高溫等離子體、超過1000秒的連續運行時間和大於1兆安的等離子體電流。

龔先祖說，EAST裝置是目前國際上唯一有能力開展超過400秒高約束模等離子體物理研究的平台，403秒高約束模等離子體創造新的世界紀錄，為國際熱核聚變實驗堆ITER運行和我國自主建設運行聚變堆提供了重要的實驗基礎。

探索太空奧秘—— FAST 首次探測迄今最短軌道週期脈衝星雙星系統

脈衝星非常小，其半徑通常為10千米至15千米，密度極高，達1億噸每立方釐米，自轉很快，自轉週期在1.39毫秒-76秒之間。脈衝星的發現獲得了盧保獎。

脈衝星是發出週期信號的緻密星，可以用來研究天體物理中的輻射機制、銀河系星際介質和磁場結構、納赫茲引力波等。

據中國科學院國家天文台副研究員盧吉光介紹，觀測發現，一些脈衝星處於雙星系統中，和其他恒星一起繞轉。通過觀測脈衝星發出的週期信號的變化情況，可以分析得到這一雙星系統的基本信息，如軌道週期、兩個星的質量範圍等。超過60%的脈衝星雙星系統軌道週期長於1天。

按照已有的天體物理學模型，如果兩顆星的距離很近，脈衝星會吞噬身旁這顆恒星的物質，並使自身越轉越快。因恒星初始質量較大，隨著脈衝星蠶食恒星，兩顆星的距離越靠越近，相互繞轉速度也越來越快；隨著雙星系統演化，恒星被大量蠶食後質量變小，脈衝星難以繼續吸積並把恒星推開，其相互繞轉的速度也就變慢。這種行為類似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養自身的行為，天文學家就以兩種蜘蛛的名字「紅背」（redback）與「黑寡婦」（black widow）來命名這類天體，統稱為蜘蛛類脈衝星（spider pulsar）。從「紅背」到「黑寡婦」脈衝星-恒星系統的演化過程可長達數億年。

此前，天文學界僅探測到分別處於「紅背」與「黑寡婦」狀態的脈衝星雙星系統，並未發現這二者演化的中間狀態。原因是在此階段的脈衝星軌道週期非常短、兩個星的距離非常近，對搜尋該系統中的脈衝星提出了極大挑戰。

為了找到這樣的脈衝星雙星系統，需要高靈敏度的觀測設備，在遠短於軌道週期的時間內捕獲足夠多的來自於這樣的系統的能量。由於天體演化一般遠慢於人類日常生活的節奏，天文學家對同一目標的觀測用時一般以小時甚至年作為單位來計量。而為了發現演化中間階段的雙星系統，觀測時間只能是以10分鐘甚至更短的時間作為單位計量。因此蜘蛛類脈衝星從「紅背」向「黑寡婦」系統的演化理論難以證實。

借助中國天眼FAST的超高靈敏度和極強探測能力，這一演化路徑得到證實。研究團隊使用FAST探測到名為M71E的雙星系統，長期觀測後確定，這一系統兩顆星繞轉一週的時間僅為53分鐘，是目前已發現繞轉速度最快的脈衝星雙星系統，被確定為是處於「紅背」到「黑寡婦」系統演化過程的中間狀態，填補了蜘蛛類脈衝星演化理論的缺失環節。同時，該雙星系統軌道面近乎朝向地球，極為罕見，期待進一步研究有更多發現。

這一成果於2023年6月20日由國際學術期刊《自然》在線發表，期刊審稿人評價該成果發現了一個非常有趣的脈衝星雙星系統；這個發現使得脈衝星雙星系統的軌道週期最短紀錄大幅縮短約30%，預示著蜘蛛類脈衝星演化中存在新的未知過程。

新京報記者 張璐

編輯 張牽 校對 劉軍