我国将迈入“多信使天文学新时代”_新浪财经

转自：中国科学报

10月10日，上海交通大学李政道研究所发布南海中微子望远镜“海铃计划”蓝图。“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所发起并牵头，旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜。该项目由中国科学院院士景益鹏担任负责人，李政道研究所副教授徐东莲任首席科学家，通过捕捉高能天体中微子来探索宇宙，加速构建多信使天文网，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。

10月9日，海铃中微子望远镜概念设计等成果在《自然-天文》发表。

海铃计划构想图。上海交大供图

探索宇宙的“理想信使”

1609年伽利略发明了望远镜，极大推动了天文学的发展。此后400多年，众多天文观测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，但光子仅是宇宙发送的众多“信使”之一。

为进一步揭开宇宙起源与演化的奥秘，人类不断地尝试探寻其它信使的踪影。2013年，南极冰立方实验（IceCube）首次“看”到来自宇宙的高能中微子。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）实验通过引力波“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，揭开宇宙奥秘的“多信使天文学时代”来临。

科学家对中微子性质的研究已多次刷新基本物理认知，并4次荣获诺贝尔奖。但中微子仍有诸多未解之谜，如中微子的绝对质量为多少、它们是否为自身的反粒子等。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。

由于其如幽灵般极强的穿透力，中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，是研究极端宇宙的理想信使。比如，宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随着大量中微子的产生，探测到这些中微子将帮助我们理解这些剧烈过程背后的机制。

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。目前世界最大、最灵敏的中微子望远镜IceCube选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。该望远镜于2010年建成，2013年便首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流；2017年首次发现对应已知的天体源证据，叩开了高能中微子天文学的大门。此外，在地中海的KM3NeT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。

“倘若探测到宇宙射线源头伴生的中微子，就能直接指回源头，确切地解答宇宙射线起源的百年谜题。”徐东莲说。

海铃探路者出海人员合影。上海交大供图

建立多信使观测网

深海工程技术的飞速发展，使我国建设深海中微子望远镜成为可能。这正是我国进军中微子天文学这一新兴领域，实现迎头赶上甚至超越国际前沿的科学时机。此外，我国在多波段望远镜、空间引力波和低能中微子观测站均有布局，海铃深海中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要一环，极大促进和完善我国建立的多信使天文观测网。

2021年9月，由上海交通大学牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务。该航次由徐东莲担任航次首席科学家，海洋工程专家田新亮担任领队，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等机构近80位专家参与。

在此前1年有限的研发时间里，上海交大李政道研究所等机构研制了适用于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。合作单位中，中国科技大学团队完成了光电管测试、后端电子学研制；清华大学团队完成了高精度时钟同步系统；自然资源部第二、第三海洋研究所团队主导了包括流速剖面、温度、盐度等深海水文数据的采集和分析。

海试成功测量了预选海域的深海流速、原位海水光学性质、放射性本底，验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，为“海铃计划”的后续推进奠定了基础。

在此基础之上，海铃团队完成了海铃中微子望远镜的概念设计。2023年10月9日，相关论文在《自然-天文》发表。

利用中微子研究极端天体现象。上海交大供图

处于重大突破的门槛

“中微子望远镜利用整个地球作为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子。”该论文共同一作、上海交大李政道研究所博士后叶子平说，“由于位于赤道附近，海铃可以通过地球的自转探测360度全天域的中微子，与南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成完美的互补。”

“海铃计划”的预选台址位于南海北部一个深约3.5公里的海底平原。那里海床平整、流速平缓，且放射性与普通海水的公开数据一致。

预选台址海水的光学属性也能满足建设大型望远镜阵列的要求。探路者团队通过部署自研的高灵敏感光元件探测球舱，首次实现同时使用两套独立的光学测量系统，在预选台址约3420米水深原位测量了海水的光学性质，结果显示其平均吸收和散射长度分别为约27米和63米。清澈的海水可更清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹，更有利于重建中微子的种类、来源的方向和携带的能量。在候选台址成功布放探测球舱也部分验证了未来海铃望远镜的耐高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜标布放等核心技术。

基于上述结果，项目组利用上海交大“思源一号”科学计算平台进行模拟计算，正式提出南海中微子望远镜“海铃计划”的概念设计。探测器阵列由1200根垂直线缆组成，每根线缆长约700 米，互相间距70~100米，像海藻一样垂直锚定于海床上，并搭载约20个高分辨率光学探测球舱。

海铃阵列直径约4公里，总占地面积约为12平方公里，可监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里，设计寿命为20年。海铃团队创新提出新型混合探测球舱概念设计，将舱内表面紧密覆盖了多个能探测到单光子的光电倍增管（PMT），形成类似于果蝇的复眼结构，同时巧妙地利用PMT之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，将能实现无死角地观测不同方向的中微子。该团队预计，海铃阵列建成后一年内就能够发现鲸鱼座中棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源，并能无可置疑地发现冰立方仅收集到初步证据的TXS0506+056耀星体中微子爆发。

2022年底，在科技部、上海科学技术委员会和上海交通大学的支持下，海铃一期项目启动。海铃一期拟在选定海域建设10根望远镜串列，并通过长距离海缆连接南海某岛基地，预计2026年成为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搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。

海铃计划的终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，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。

“中微子天文学正处于重大突破的门槛上。”徐东莲说，“当前，世界主要发达国家都在积极筹建二代中微子望远镜，在提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。“海铃计划”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。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-023-02087-6