首席|对话LHAASO首席科学家曹臻：银河系传来什么“讯息”？_人类|光子|中国科学院|四川省

高能宇宙线来自哪里？这是自宇宙线发现以来，跨越了整整一个世纪的未解之谜。最近，位于四川省甘孜州稻城县海拔4410米的海子山上的高海拔宇宙线观测站发现的最新成果，让人们离解开这个世纪之谜又进一步。
由中国科学院高能物理研究所牵头的中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO 拉索）国际合作组今（17）日宣布，高海拔宇宙线观测站在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了 “超高能伽马天文学”的时代。该成果于北京时间2021年5月17日发表在《Nature》（《自然》）。
LHAASO的科学目标是什么？此次研究发现改变了人们哪部分传统认知？未来该站点将对四川的科学研究、人才培养以及工业领域产业发展等方面产生哪些影响？围绕上述话题，红星新闻采访人员深度对话中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻。
【首席|对话LHAASO首席科学家曹臻：银河系传来什么“讯息”？】

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▲LHAASO四分之三阵列(摄于2020.12.28)
谈项目：LHAASO将于
今年6月全部建成并投入运行
红星新闻：LHAASO为何选址四川稻城县海子山？
曹臻：我们花费五年时间，先后考察了西藏、青海、云南、四川四个省区。落地四川稻城首先在于它的自然条件非常好，海拔高。其次，我们要建造阵列，需要地势平坦。基于探测器的设计，我们还需要大量纯净的水。当然，良好的交通和通讯也很重要。这些是硬性条件。就交通来看，项目旁有世界上最高的民用机场——亚丁机场，雅康高速开通以及从理塘到亚丁的国道的畅通，保证了我们的运输。
更重要的是地方政府的支持。我们来到四川后，得到了四川省政府在经济、政策等领域的大力支持。比如，该项目一共花费3亿人民币，在项目这一平方公里范围内修建了20多公里长的道路、40公里长的输电线路、两个变电站等等。整个建设过程中，四川各级政府都给予了大力支持，没有设置任何障碍，确保工程执行得非常顺利。
正是基于以上条件，让该站点成为了一个非常成功且独一无二的站点，整个项目的建设速度也让国外惊叹——LHAASO的主体工程于2017年开始建设， 2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行。 2020年1月， LHAASO完成了1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。今年我们的主要任务就是完成剩下的1/4部分，预计将于今年6月全部建成并投入运行。

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▲高海拔宇宙线观测站观测示意图图源新华社
红星新闻：LHAASO接受到的信使是什么？它要完成的科学目标是什么？
曹臻：LHAASO接受到的信使实际上是从太阳系外、银河系内传来的高能粒子，这些高能粒子里有各种各样的东西，比如各种各样的原子核，这些粒子是宇宙线的主要成分，能量非常高，远超地球上人类能够建造出来的人工加速器，这是宇宙线的一个重要特点。
除了原子核，宇宙线里还包含少量光子。光子的特性在于，即便处于磁场里，它也是走直线。因此，这给我们提供了一个机会，即如果我们能判断测量到的东西是光子，就可以沿着它来的方向倒推回去，以此找到宇宙加速器所在的位置。试图找到能量非常高的宇宙加速器，这也是该项目要去完成的一个科学目标。
红星新闻：您提到该研究成果彻底改变了人们对银河系的认知，请问它改变了人们哪部分传统认知？
曹臻：在上世纪20年代，人们认为银河系并不是一个活动剧烈的星系。上世纪后期，科学家们发现，很多银河系在剧烈活动，他们把这些星系称之为活动星系。活动星系并不适合人类来稳定发展文明。
传统认知中，银河系是一个比较温和的星系，内部天体活动也不剧烈，不应该产生能量特别高的粒子。即便发现高能量粒子，也可能来自其他星系。
但此次研究成果显示，天鹅座实际上是一个非常活跃的天区，里面充斥着大质量恒星。大质量恒星寿命通常在百万年左右，百万年后它可能消失爆炸，再产生新的星体。因此，我们认识到，银河系并不像我们想象中那么稳定，只是恰好太阳系所在的小区域比较安全，人类才得以出现。
红星新闻：那么这种高能量的光子是否会反过来对地球上包括人类在内的生命体的健康造成威胁或影响？
曹臻：不会。首先，光子非常稀少，被它撞到的概率非常低。光子少到什么程度？在LHAASO这么强的一平方公里的源上，一年也只有1~2个光子打下来。
其次，大气层虽然稀薄，但它能起到一个非常好的保护作用。在宇宙线撞击之后，高能量粒子走不了多远就会撞到大气里的氮原子核，再分解簇射。当它达到地面后，就变成了1亿个粒子，能量也被分解掉了。最后真正落到人身上的能量并不高，甚至比我们通常接受到的宇宙线的辐射剂量更低。而人类就是在这个环境里演化而来，这些粒子就是我们生存的一个环境之一。
但这也不是绝对的。比如你到高海拔地区，所受到的辐射剂量就比低海拔地区增加几倍。如果你天天坐飞机在1万米高空，所受到的辐射也会提升。人类生活环境通常集中于1~2千米海拔地区，这些区域受大气层保护非常好，因此完全不用担心。

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▲LHAASO傍晚
谈影响：LHAASO将对
地区科研、人才培养、产业发展带来巨大影响
红星新闻：我们了解到，中科院高能所也希望建设一个世界上最大的加速器，此次发现对建设最大的加速器有哪些帮助？
曹臻：目前我们建加速器采用的技术是上个世纪50年代发展起来的技术，虽然技术越来越好，但基本原理没有变化：即建一个大的环，抽成真空，粒子在里头经过时，用电场加速。
此次研究提出的一个问题在于：为何宇宙线里这些粒子可以加速到这么高的能量？我们可以向自然学习，探索更加有效的粒子加速原理，测量宇宙加速器周围的环境和地面上的加速器环境到底有何不同，让我们能够在地面实验室中也能制备出这样的环境。
红星新闻：未来， LHAASO将对四川的科学研究、人才培养等方面带来哪些影响？
曹臻：毫无疑问， LHAASO将对四川的科研和人才培养带来巨大影响。举例来说， LHAASO落地后，紧接着，中国科学院的空间中心就在稻城县建了一个测量射电波段的探测装置，未来可能会引进更多类似的大型项目。
在人才培养方面，项目引进四川后，四川成都的两所高校——西南交大和四川大学，它们变成了大科学工程的建设单位之一并作出了重大贡献。同时，通过参与建设国际一流的探测装置，也能提升高校自身的科研水平。以西南交大为例，西南交大已经吸引到南京大学毕业的博士和中国科学院紫金山天文台的研究员，他们也能从这个项目上做出相关科学研究。我名下就有两位来自四川的学生，他们已经变成了博士生。

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▲广角切伦科夫望远镜阵列
红星新闻：此次突破性的知识改变和科研成果，能否直接影响到我们的生活？
曹臻：目前来说，涉及到这么高能量的加速器还没有进入到我们的日常生活。但基于同等原理的“缩小版加速器” ，已经逐渐变成我们医疗设备、工业探伤等技术基础。
比如，上世纪五十年代建的加速器，目前在我国一些大型医院已经开始作为肿瘤治疗的一个基本手段。中科院高能所在东莞也建立了一个中子中心，其产生出来的中子源可以用来进行肿瘤治疗方面的研究。可以想像，高能量的加速器会逐渐变得越来越重要。
红星新闻：通过这些大科学装置的建设，将给地区产业带来什么影响？
曹臻：大科学装置所使用的设备都需依靠自主研发，这对产业提出非常苛刻的要求。
举个例子，我们研究中心需要使用一个叫光电倍增管的东西，其尺寸已达到半米。这个部件此前国际上只有日本一家企业会做，价格贵，一支卖到6万~7万元，且做出来的效果还达不到我们的要求。
后来，我们国家自主研发突破并升级了该项技术，我们拿着这个产品和日本竞争市场，让他们的价格一下子降至18000元。我想这个例子足以证明，大科学装置对国内工业领域产业的刺激，它能促使产业不断去完善更新技术，促进相关配套发展，完善产业链条。
实际上，我们在多年的科研中也得出一个结论：中国的产业不论是从门类还是配套来看，都是全世界最好的。只要你有想法，中国就一定能拿出全世界最好的办法来实现。不光做得好，价格还便宜。
红星新闻采访人员彭祥萍
编辑陈怡西
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