南海底部深海中微子望遠鏡“海鈴計劃”，可行！

長慶wcqjs 2023-10-10 發(fā)布于上海

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2023/10/09

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，測量驗證了候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性，完成海鈴中微子望遠鏡的概念設計，相關論文發(fā)表于《自然·天文》雜志。

在南海北部的一片深約3.5公里深海平原，將垂懸起一大片“海鈴”，它們?nèi)缤Ｔ灏闵L于海底，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。

這不是科幻故事，而是已經(jīng)到來的多信使天文學時代中國科學家引領的可見計劃。

捕捉幽靈信使

每秒鐘有數(shù)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(zhì)反應，猶如幽靈一般在宇宙中穿行。中國科學院院士、海鈴計劃負責人景益鵬介紹，中微子可以輕松逃逸致密宇宙和天體環(huán)境而不改變方向，成為研究極端宇宙的理想信使，是了解宇宙大爆炸、黑洞爆發(fā)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(guī)律的認知，四次榮獲諾貝爾獎。

目前，國際世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）于2010年建成，將探測器陣列建在2500米深的南極冰層中，因發(fā)現(xiàn)銀河系外高能中微子開啟了河外中微子天文學新時代；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?！爱斚?，世界主要發(fā)達國家都在積極籌建性能優(yōu)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?！焙ｂ徲媱澥紫茖W家、李政道學者徐東蓮說。

“盡管中微子探測很難，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?！本耙纟i院士認為，海鈴的總體性能高于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(qū)，發(fā)現(xiàn)新的中微子源。

由上海交通大學李政道研究所發(fā)起并牽頭的“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，將與已布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(wǎng)。

深海懸“鈴”首戰(zhàn)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(shù)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(gòu)的近80位科研人員與技術(shù)人員開啟征程，合作研制適用于4000米深海環(huán)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(tǒng)。

首批探路者團隊還開展了海試，在我國南海北部發(fā)現(xiàn)一塊水深大于3500米的深海開闊盆地，滿足建設大型望遠鏡陣列的要求，將可以利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆?；清澈海水可更清晰地“錄制”中微子與海水反應的蹤跡。

“我們就像向深海發(fā)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：“預選天文臺臺址位于赤道附近，可以通過地球自轉(zhuǎn)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?！?/span>

“探測儀器精密，如何將密集陣列安全精準地安裝到海底？24000個探測球艙和1400個海底接駁盒連接成一張網(wǎng)絡，故障點眾多，運行周期長達20年，故障后設備可修可換也需要提前考量?！表椖亢Ｑ蠊こ膛c技術(shù)專家、上海交大船舶與建筑工程學院教授田新亮介紹，團隊解決了許多工程難題，在海試中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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛標布放等核心技術(shù)。

南海陣列靜聽寰宇

徐東蓮曾在冰立方國際合作組中學習、工作多年，在研究中逐步萌發(fā)了在南海海域建設中微子望遠鏡的想法。2018年徐東蓮回國加入上海交大李政道研究所，依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺，開始進一步探索國內(nèi)建設中微子望遠鏡的可行性。2020年8月徐東蓮代表“海鈴計劃”團隊，在全國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略研討會（青島）上正式提出了南海中微子望遠鏡——“海鈴計劃”的建設規(guī)劃和行動計劃。

在科技部、上?？茖W技術(shù)委員會和上海交大的支持下，海鈴一期項目已經(jīng)啟動，擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，并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(nèi)外的天體源搜索，并完成建設大陣列的全鏈技術(shù)驗證。

此次發(fā)布的藍圖還揭示了海鈴計劃的終極大陣列——在直徑約4公里、總占地面積約為12平方公里范圍內(nèi)，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個高分辨率光學探測球艙；每個新型混合探測球艙將艙內(nèi)表面如果蠅復眼結(jié)構(gòu)布局器件，實現(xiàn)無死角觀測。

“海鈴”的設計壽命為20年，可監(jiān)測7.5立方公里體積海水的高能中微子反應。根據(jù)計劃，該望遠鏡將于2030年建成?？茖W家樂觀預計，海鈴陣列建成后一年內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚座中的棒旋星系的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似于冰立方利用十年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的超大質(zhì)量黑洞的中微子爆發(fā)。

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