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“拉索”建成以前,我国不掌握天体物理研究的“数据主权”,“拉索”在获得独一无二的观测数据后,为什么要成立国际合作组并把数据公开?
文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 岳栋
在中国科学院高能物理研究所的一间办公室内,记者见到了我国高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)首席科学家、中国科学院院士曹臻,他正在为参加芝加哥天体物理会议以及意大利伽马天文会议做准备,主办方邀请他第一个上台作报告。
“这些会议以前都是欧美人的天下,中国人很少能上台去作报告。”对于过去我国宇宙线研究的尴尬处境,曹臻印象深刻。2019年,他的团队曾向有宇宙线界奥林匹克运动会之称的国际宇宙线大会(ICRC)申请作报告,遭到主办方拒绝。在“拉索”发布一系列重大成果后,2023年,国际宇宙线大会邀请曹臻和他的团队作了两个重要会议报告。
“现在国际会议主动邀请我们作报告的太多了,‘拉索’的相关研究已经成了各种会议的重头戏。有美国同行开玩笑说,你们上去作完报告,我们都不用上台讲了。”曹臻说。
“拉索”的建成,让研究宇宙线的中国科学家们,站在了国际科研舞台C位。基于超高的探测灵敏度,“拉索”已取得多项突破性科学成果,包括:在银河系内发现大量超高能宇宙加速器候选天体、记录到人类观测到的最高能量光子、精确测定了标准烛光蟹状星云的超高能段亮度等等。
“以前我们用的大多是别人的观测数据,是‘二手货’。现在我们用‘拉索’提供的一手观测数据,新发现不断涌现。”曹臻说,这些新的观测结果,对世界宇宙线知识体系作出了来自中国的贡献。
此外,“拉索”庞大的数据为天体物理研究提供了巨大空间。为了更好探秘宇宙,曹臻坚持以开放的姿态欢迎各国科研团队与个人科学家加入“拉索”的相关科研中来,合作发现新的研究成果。
287位科学家联合署名
2023年6月9日,《科学》杂志“插队”刊发了一篇论文,解释“拉索”不久前发现的由一颗大质量恒星死亡瞬间产生的伽马射线暴(GRB221009A)为什么是“史上最亮”。
这篇论文记录了“拉索”探测到的来自伽马暴GRB221009A高达10万亿电子伏特以上的伽马光子,精细测量了其万亿电子伏特辐射随时间完整的变化行为,补齐了这颗恒星死亡瞬间的完整亮度变化曲线,并揭示了此次伽马暴历史最亮的成因。
3位《科学》杂志匿名审稿人看到后,惊叹该成果是“突破性的”“非凡的”“杰出的”。而这篇论文由来自多个国家的287位科学家联合署名。
建在四川稻城海子山上、由纯国产“拉索”探测数据发表的成果却由多国科学家署名,曹臻说,这是由“拉索”的国际合作模式决定的。
他向记者介绍,“拉索”采用的是国际合作组模式,在合作组的统一架构下,各国科学家各自带领团队开展研究,共享“拉索”数据资料,在取得一定研究成果后,每篇论文要经过合作组一致同意才能发表,并由“拉索”项目组集体署名。
目前,来自俄罗斯、法国、泰国等5个国家的28个天体物理研究机构的300多名科学家共同组成“拉索”国际合作组成员。合作组依托“拉索”观测到的庞大数据,开展粒子天体物理研究,进行宇宙学、天文学等众多领域的基础研究。
曹臻对前来寻求合作的个人也持开放态度。
到国外作报告,曹臻经常会被同行围住,“‘拉索’有没有做这个方向的研究?我能不能申请加入?”对此,曹臻表示:“只要他有好的想法,我们又没有这方面的研究,就接受他作为个人研究者使用我们的数据。如果发表了重要成果,他还会被列为文章的通讯作者。”
曹臻团队的研究员李哲最近刚在《科学通报》(Science Bulletin)上发表了一篇有关超新星遗迹观测的文章。“这是李哲与一位意大利青年科学家合作完成的。这位青年科学家来到中国后看到‘拉索’对超新星遗迹有很好的观测效果,提出与我们一起分析数据、开展理论研究。”曹臻说。
“曹臻老师站在推动全球宇宙线研究发展的角度支持国际合作。从去年开始,他提出在国际上招揽青年科学家,加入‘拉索’开展博士后研究,希望吸引更多青年科学家全身心投入到‘拉索’的数据分析探索当中。”李哲告诉记者。
“拉索”建成以前,我国不掌握天体物理研究的“数据主权”,通常是用他国科学家使用后的数据进行研究。“拉索”在获得独一无二的观测数据后,为什么要成立国际合作组并把数据公开?
这源自一名科学研究者的清醒。曹臻深知:唯有合作才能最大限度发挥“拉索”的效能,“集合科研力量,拓展科研范围,为人类获得更多科研成果。”
截至目前,基于“拉索”项目发表的期刊论文超过200篇,会议论文超过150篇。
曹臻在高海拔宇宙线观测站沙盘前留影(资料照片) 金立旺摄/本刊
“合作者把实验室搬到拉索了”
在“拉索”观测站的西南方位,可以看到64台热中子探测器,每台间隔5米,呈菱形阵列。“‘拉索’的吸引力,让外国科研机构把实验室都搬来了。”曹臻告诉记者。
回溯到2011年,当时“拉索”尚未开始建设,与中国科学院高能所有合作的俄罗斯科学院核研究所得知消息后,迅速联系曹臻团队,希望把大面积热中子探测器加入“拉索”中。
“热中子技术是俄罗斯掌握的一种宇宙线测量的新技术。莫斯科海拔较低,不利于热中子探测器开展实验研究,海拔4410米的海子山有着得天独厚的观测条件。增加热中子探测器观测阵列后,‘拉索’的宇宙线复合观测能力得到了增强。”曹臻说,“我们的目标是合作建设400台热中子探测器。”
不光将他国研究机构“请进来”,为进一步深入宇宙线研究,“拉索”团队还将“走出去”。
作为一个复杂的粒子集合体,宇宙线包含高能粒子、光子和中微子等多种成分。用不同的信使研究宇宙线起源是各国科学家共同努力的方向。目前,“拉索”已经能准确找到高能粒子、光子等成分,如果能再找到中微子,就可以更全面地研究宇宙线起源。
为了找到中微子,曹臻和他的团队将目光瞄向了俄罗斯贝加尔湖。“我们正在推动高能水下中微子望远镜项目(HUNT)建设。”曹臻介绍,该项目由明确的重大科学目标牵引,发展下一代中微子天文探测器技术,将以前所未有的灵敏度,探测银河系内部高能天体中微子点源,从而有望解决宇宙线起源的百年未解难题。
他表示,项目目前处在预先研究阶段,已有国内外十余家高校科研院所近70人参与,概念设计已经成形,探测器的多项关键设备和技术已经突破,并在贝加尔湖和我国南海分别进行样机试验。
为他国望远镜“找星星”
在美国宾夕法尼亚州立大学讲座教授Peter Meszaros等国际同行看来,“拉索”能发现GRB221009A,不仅由于该大质量恒星在死亡瞬间爆发出的抛射物方向正对着“拉索”,更得益于“拉索”巨大的观测面积和先进的探测技术以及观测装置的超高灵敏度。
作为全球粒子天体物理支柱性实验设施之一,“拉索”创造了三项“世界之最”——超高能伽马射线探测灵敏度世界最高,甚高能伽马射线源巡天普查灵敏度世界最高,超高能宇宙线能量覆盖范围世界最宽。
在发现GRB221009A伽马射线暴后,国际上几十个空间和地面探测器都对此伽马暴进行观测。该伽马暴为长暴,其亮度比以往最亮伽马暴还要高几十倍,过高的光子流量使得多个国际实验的探测器发生饱和而“爆表”。“拉索”凭借强大性能,成为全球唯一一个完整探测GRB221009A伽马射线暴的地面探测器,“拉索”合作组由此在全球首次精确测量了高能光子爆发的完整过程。
“拉索”用实力证明了自己的价值,也因此成为国际宇宙线研究界的“香饽饽”,吸引了全球众多宇宙线研究机构前来寻求合作。
“‘拉索’国际合作组会与一些有合作意愿的国际机构签署谅解备忘录,明确双方合作的具体内容、规则,组成联合工作组,共同开展数据分析并联合署名发表文章。”曹臻介绍,目前已有7家国外大型机构与“拉索”国际合作组签署谅解备忘录,涉及伽马天文、中微子天文等领域,“既包括马克斯·普朗克物理学研究所这样的老牌研究机构主持的MAGIC实验,也有正在建设中的欧洲切伦科夫望远镜阵列(CTA)。”
“拉索”能为他国其他类型的望远镜提供“指引”,帮助他们“找星星”。
“‘拉索’能够全天候、以很大的视场对整个北半球天空展开扫描,可以几乎无死角地寻找新的伽马射线源,这是他国望远镜做不到的。”曹臻说,在探测到新的伽马射线源后,我们告诉他们要把望远镜对准哪些位置才能看到这个源,这些望远镜就能发挥精细测量的优势开展进一步观测。“相当于我们打头阵,让别人跟着我们做研究。”
下一步,“拉索”还要看得更远、看得更清楚,对自己发现的“星星”展开进一步深度观测。
在四川省政府支持下,“拉索”规划再建设32台望远镜,使角度分辨率由0.2度提升至0.04度。曹臻介绍,“这就好比从能看见月亮上的一片片‘海’,到能看清楚一座座‘环形山’。这将助力‘拉索’突破现有研究局限,继续在宇宙线领域保持国际领先地位。”
“‘拉索’将成为以中国为主、多国参与的国际宇宙线研究中心,借助高海拔伽马天文、宇宙线的观测优势,成为独具特色、综合开放的科学研究平台。”对于“拉索”未来的发展,曹臻信心十足。■