“中國(guó)天眼”利用“千里眼”捕捉宇宙中微弱的電磁波信號(hào)，傾聽(tīng)宇宙深處的低語(yǔ)；“拉索”聚焦宇宙線與地球大氣碰撞引發(fā)的粒子“陣雨”，解密神秘的宇宙線；“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)世界上最長(zhǎng)時(shí)間可重復(fù)的高約束模等離子體運(yùn)行，用核聚變點(diǎn)亮第一盞燈的日子越來(lái)越近……在4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會(huì)開(kāi)幕式重大成果發(fā)布環(huán)節(jié)上，“重大科技基礎(chǔ)設(shè)施取得系列國(guó)際領(lǐng)先成果”被列為十大成果之一。
“中國(guó)天眼”填補(bǔ)蜘蛛類脈沖星演化缺失
不過(guò)5分鐘的巡天一瞥，“中國(guó)天眼”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST）就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)處于軌道周期僅為53分鐘的雙星系統(tǒng)中的脈沖星——這是人類發(fā)現(xiàn)的軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)。
脈沖星的自轉(zhuǎn)速度通常十分穩(wěn)定，其發(fā)出的輻射束會(huì)以近乎固定的間隔掃過(guò)地球。而處在雙星系統(tǒng)中的脈沖星，會(huì)因其特有的蠶食過(guò)程（吸積）導(dǎo)致自轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化——脈沖星會(huì)先吞掉身旁伴星的物質(zhì)，兩星越靠越近，相互繞轉(zhuǎn)速度也越來(lái)越快；當(dāng)伴星被大量蠶食質(zhì)量變小后，角動(dòng)量守恒效應(yīng)導(dǎo)致雙星間距增大，繞轉(zhuǎn)速度也就變慢。
這個(gè)過(guò)程，與自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養(yǎng)自身的行為相似，這類天體因而得名“紅背蜘蛛脈沖星”和“黑寡婦蜘蛛脈沖星”，統(tǒng)稱為蜘蛛類脈沖星。“從‘紅背’到‘黑寡婦’，中間的演化過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員潘之辰介紹，此前天文學(xué)界并未證實(shí)二者演化的中間狀態(tài)，“處于中間階段的脈沖星軌道周期非常短，兩星的距離非常近，搜索該系統(tǒng)中的脈沖星挑戰(zhàn)極大。”
FAST具備的超高靈敏度和極強(qiáng)探測(cè)能力，讓這一難題在日常巡天時(shí)就得到了解答，短短5分鐘即幫助科研團(tuán)隊(duì)鎖定了名為M71E的脈沖星。又經(jīng)過(guò)1年多的持續(xù)監(jiān)測(cè)，科研團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，該脈沖星雙星系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)一周的時(shí)間僅為53分鐘，是目前已發(fā)現(xiàn)的繞轉(zhuǎn)速度最快的蜘蛛脈沖星系統(tǒng)，填補(bǔ)了蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)演化模型中缺失的一環(huán)。
“對(duì)脈沖星的觀測(cè)周期在其軌道周期的十分之一以下，才能更好地避免軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。FAST觀測(cè)5分鐘的信號(hào)信噪比，比其他同波段射電觀測(cè)設(shè)備1至2小時(shí)得到的信號(hào)還要優(yōu)秀。”潘之辰說(shuō)。
作為世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST自投入運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)900顆脈沖星，是同一時(shí)期國(guó)外同類型望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)數(shù)量總和的3倍以上。目前，F(xiàn)AST最新觀測(cè)季的自由申請(qǐng)觀測(cè)項(xiàng)目正在面向全世界公開(kāi)征集，“中國(guó)天眼”向全球開(kāi)放。
“拉索”發(fā)布最亮伽馬射線暴精確能譜
宇宙中的“黑暗迷霧”可能不如想象中濃厚，伽馬射線暴余輝的標(biāo)準(zhǔn)模型或許也要進(jìn)一步修正。圍繞迄今最亮的伽馬射線暴，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的拉索國(guó)際合作組繪制出了它最精確的高能輻射能譜。
在四川省稻城縣平均海拔4410米的海子山上，“拉索”（高海拔宇宙線觀測(cè)站，LHAASO）全天候望向深空。一顆位于銀河系外的“超級(jí)太陽(yáng)”化為持續(xù)幾百秒的“宇宙煙花”——伽馬射線暴GRB 221009A，其發(fā)出的大量伽馬光子跨越24億光年抵達(dá)地球。2022年10月9日，世界多個(gè)大科學(xué)裝置均探測(cè)到了該事件，但只有“拉索”創(chuàng)下紀(jì)錄，記錄到10萬(wàn)億電子伏特以上的光子。“這可以說(shuō)是伽馬射線暴60年研究歷史的一個(gè)里程碑。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員陳松戰(zhàn)說(shuō)。
圍繞這封“太空來(lái)信”展開(kāi)分析，科研人員腦海中的疑問(wèn)只增不減。能譜中，逆勢(shì)增強(qiáng)的余輝輻射對(duì)伽馬射線暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型提出挑戰(zhàn)；高能伽馬光子成功突破宇宙“黑暗迷霧”飛抵地球，顯示出紅外波段的宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有模型預(yù)期的40%左右；暗物質(zhì)候選粒子——軸子不受宇宙背景光影響，觀測(cè)結(jié)果能否成為其存在的佐證……在“拉索”的助力下，科研人員正在開(kāi)啟新物理探索之門。
作為國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，“拉索”擁有三大利器。1188個(gè)繆子探測(cè)器和5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器，配合組成了1平方公里的地面簇射粒子探測(cè)器陣列；正中心的水切倫科夫探測(cè)器陣列是一片占地78000平方米的純凈水水池，水池底部布置了國(guó)產(chǎn)巨型光電倍增管；18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列則采用新型硅光電管，讓望遠(yuǎn)鏡能在月夜工作。它們協(xié)同配合，能全方位、多變量地測(cè)量來(lái)自高能天體的伽馬射線和宇宙線。
“雖然‘拉索’占地面積大，又處在野外環(huán)境，但從2021年至今，裝置始終以接近100%的完好率穩(wěn)定運(yùn)行。”陳松戰(zhàn)介紹，來(lái)自30家國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)的280余名科研人員，組成了拉索國(guó)際合作組。隨著經(jīng)驗(yàn)的累積，成果產(chǎn)出速度正在加快，僅今年第一季度，合作組就已發(fā)布了3項(xiàng)重大成果。至少在未來(lái)10年，高能伽馬射線天文學(xué)研究將屬于“拉索”。
“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)403秒可重復(fù)高約束運(yùn)行
宜居的地球環(huán)境，離不開(kāi)太陽(yáng)核聚變反應(yīng)后釋放的光和熱，“人造太陽(yáng)”則利用相似的核聚變反應(yīng)機(jī)制，有望推動(dòng)人類實(shí)現(xiàn)能源自由。
當(dāng)氘原子和氚原子飛入真空環(huán)境，在背景磁場(chǎng)的作用下，原子被電離形成氘離子、氚離子和若干個(gè)電子的等離子體狀態(tài)，懸浮在真空室內(nèi)部。由于氘離子、氚離子帶有正電荷，天然相互排斥，當(dāng)溫度上升至1億攝氏度時(shí)，大量氘、氚離子在無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)軌跡下結(jié)合碰撞，會(huì)發(fā)生聚變反應(yīng)，融合生成氦并釋放大量能量。
在此過(guò)程中，核聚變反應(yīng)仿佛一頭猛虎，要想讓它乖乖受控，就必須研發(fā)一座能承受超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境的“籠子”，將它關(guān)住。然而，裝置運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部第一壁材料被輻射、腐蝕的情況就越嚴(yán)重，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響聚變反應(yīng)；在聚變反應(yīng)持續(xù)過(guò)程中，裝置整體電流如何保持穩(wěn)定；兆瓦級(jí)能量持續(xù)輸入時(shí)，怎樣保證裝置所有子系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作……這些都是“造籠子”所面臨的挑戰(zhàn)。
在中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，一座直徑8米、高11米左右的“大火爐”，歷經(jīng)12萬(wàn)余次實(shí)驗(yàn)，終于將“猛虎”穩(wěn)穩(wěn)地關(guān)了403秒——2023年4月12日，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）創(chuàng)下了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行的新世界紀(jì)錄。
僅時(shí)隔1天，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，EAST成功復(fù)現(xiàn)了前一天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“這么長(zhǎng)的時(shí)間尺度、這么高的功率、這么多的約束條件，還能夠完全重復(fù)實(shí)驗(yàn)，這是國(guó)際核聚變研究領(lǐng)域公認(rèn)的重大里程碑。”中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員龔先祖說(shuō)，目前，我國(guó)已經(jīng)處在聚變反應(yīng)‘三步走’的關(guān)鍵階段，突破了百秒量級(jí)，正在向千秒邁進(jìn)。“人造太陽(yáng)”的技術(shù)積累，還將成為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）建設(shè)和中國(guó)未來(lái)聚變反應(yīng)堆建設(shè)的重要參照。“希望我們能盡快突破穩(wěn)態(tài)聚變的研究，利用聚變?cè)谥袊?guó)點(diǎn)燃第一盞燈。”
“中國(guó)天眼”利用“千里眼”捕捉宇宙中微弱的電磁波信號(hào)，傾聽(tīng)宇宙深處的低語(yǔ)；“拉索”聚焦宇宙線與地球大氣碰撞引發(fā)的粒子“陣雨”，解密神秘的宇宙線；“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)世界上最長(zhǎng)時(shí)間可重復(fù)的高約束模等離子體運(yùn)行，用核聚變點(diǎn)亮第一盞燈的日子越來(lái)越近……在4月25日舉行的2024中關(guān)村論壇年會(huì)開(kāi)幕式重大成果發(fā)布環(huán)節(jié)上，“重大科技基礎(chǔ)設(shè)施取得系列國(guó)際領(lǐng)先成果”被列為十大成果之一。
“中國(guó)天眼”填補(bǔ)蜘蛛類脈沖星演化缺失
不過(guò)5分鐘的巡天一瞥，“中國(guó)天眼”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST）就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)處于軌道周期僅為53分鐘的雙星系統(tǒng)中的脈沖星——這是人類發(fā)現(xiàn)的軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)。
脈沖星的自轉(zhuǎn)速度通常十分穩(wěn)定，其發(fā)出的輻射束會(huì)以近乎固定的間隔掃過(guò)地球。而處在雙星系統(tǒng)中的脈沖星，會(huì)因其特有的蠶食過(guò)程（吸積）導(dǎo)致自轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化——脈沖星會(huì)先吞掉身旁伴星的物質(zhì)，兩星越靠越近，相互繞轉(zhuǎn)速度也越來(lái)越快；當(dāng)伴星被大量蠶食質(zhì)量變小后，角動(dòng)量守恒效應(yīng)導(dǎo)致雙星間距增大，繞轉(zhuǎn)速度也就變慢。
這個(gè)過(guò)程，與自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供養(yǎng)自身的行為相似，這類天體因而得名“紅背蜘蛛脈沖星”和“黑寡婦蜘蛛脈沖星”，統(tǒng)稱為蜘蛛類脈沖星。“從‘紅背’到‘黑寡婦’，中間的演化過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員潘之辰介紹，此前天文學(xué)界并未證實(shí)二者演化的中間狀態(tài)，“處于中間階段的脈沖星軌道周期非常短，兩星的距離非常近，搜索該系統(tǒng)中的脈沖星挑戰(zhàn)極大。”
FAST具備的超高靈敏度和極強(qiáng)探測(cè)能力，讓這一難題在日常巡天時(shí)就得到了解答，短短5分鐘即幫助科研團(tuán)隊(duì)鎖定了名為M71E的脈沖星。又經(jīng)過(guò)1年多的持續(xù)監(jiān)測(cè)，科研團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，該脈沖星雙星系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)一周的時(shí)間僅為53分鐘，是目前已發(fā)現(xiàn)的繞轉(zhuǎn)速度最快的蜘蛛脈沖星系統(tǒng)，填補(bǔ)了蜘蛛類脈沖星系統(tǒng)演化模型中缺失的一環(huán)。
“對(duì)脈沖星的觀測(cè)周期在其軌道周期的十分之一以下，才能更好地避免軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不利影響。FAST觀測(cè)5分鐘的信號(hào)信噪比，比其他同波段射電觀測(cè)設(shè)備1至2小時(shí)得到的信號(hào)還要優(yōu)秀。”潘之辰說(shuō)。
作為世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST自投入運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)900顆脈沖星，是同一時(shí)期國(guó)外同類型望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)數(shù)量總和的3倍以上。目前，F(xiàn)AST最新觀測(cè)季的自由申請(qǐng)觀測(cè)項(xiàng)目正在面向全世界公開(kāi)征集，“中國(guó)天眼”向全球開(kāi)放。
“拉索”發(fā)布最亮伽馬射線暴精確能譜
宇宙中的“黑暗迷霧”可能不如想象中濃厚，伽馬射線暴余輝的標(biāo)準(zhǔn)模型或許也要進(jìn)一步修正。圍繞迄今最亮的伽馬射線暴，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的拉索國(guó)際合作組繪制出了它最精確的高能輻射能譜。
在四川省稻城縣平均海拔4410米的海子山上，“拉索”（高海拔宇宙線觀測(cè)站，LHAASO）全天候望向深空。一顆位于銀河系外的“超級(jí)太陽(yáng)”化為持續(xù)幾百秒的“宇宙煙花”——伽馬射線暴GRB 221009A，其發(fā)出的大量伽馬光子跨越24億光年抵達(dá)地球。2022年10月9日，世界多個(gè)大科學(xué)裝置均探測(cè)到了該事件，但只有“拉索”創(chuàng)下紀(jì)錄，記錄到10萬(wàn)億電子伏特以上的光子。“這可以說(shuō)是伽馬射線暴60年研究歷史的一個(gè)里程碑。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員陳松戰(zhàn)說(shuō)。
圍繞這封“太空來(lái)信”展開(kāi)分析，科研人員腦海中的疑問(wèn)只增不減。能譜中，逆勢(shì)增強(qiáng)的余輝輻射對(duì)伽馬射線暴余輝標(biāo)準(zhǔn)模型提出挑戰(zhàn)；高能伽馬光子成功突破宇宙“黑暗迷霧”飛抵地球，顯示出紅外波段的宇宙背景光強(qiáng)度僅為現(xiàn)有模型預(yù)期的40%左右；暗物質(zhì)候選粒子——軸子不受宇宙背景光影響，觀測(cè)結(jié)果能否成為其存在的佐證……在“拉索”的助力下，科研人員正在開(kāi)啟新物理探索之門。
作為國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，“拉索”擁有三大利器。1188個(gè)繆子探測(cè)器和5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器，配合組成了1平方公里的地面簇射粒子探測(cè)器陣列；正中心的水切倫科夫探測(cè)器陣列是一片占地78000平方米的純凈水水池，水池底部布置了國(guó)產(chǎn)巨型光電倍增管；18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列則采用新型硅光電管，讓望遠(yuǎn)鏡能在月夜工作。它們協(xié)同配合，能全方位、多變量地測(cè)量來(lái)自高能天體的伽馬射線和宇宙線。
“雖然‘拉索’占地面積大，又處在野外環(huán)境，但從2021年至今，裝置始終以接近100%的完好率穩(wěn)定運(yùn)行。”陳松戰(zhàn)介紹，來(lái)自30家國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)的280余名科研人員，組成了拉索國(guó)際合作組。隨著經(jīng)驗(yàn)的累積，成果產(chǎn)出速度正在加快，僅今年第一季度，合作組就已發(fā)布了3項(xiàng)重大成果。至少在未來(lái)10年，高能伽馬射線天文學(xué)研究將屬于“拉索”。
“人造太陽(yáng)”實(shí)現(xiàn)403秒可重復(fù)高約束運(yùn)行
宜居的地球環(huán)境，離不開(kāi)太陽(yáng)核聚變反應(yīng)后釋放的光和熱，“人造太陽(yáng)”則利用相似的核聚變反應(yīng)機(jī)制，有望推動(dòng)人類實(shí)現(xiàn)能源自由。
當(dāng)氘原子和氚原子飛入真空環(huán)境，在背景磁場(chǎng)的作用下，原子被電離形成氘離子、氚離子和若干個(gè)電子的等離子體狀態(tài)，懸浮在真空室內(nèi)部。由于氘離子、氚離子帶有正電荷，天然相互排斥，當(dāng)溫度上升至1億攝氏度時(shí)，大量氘、氚離子在無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)軌跡下結(jié)合碰撞，會(huì)發(fā)生聚變反應(yīng)，融合生成氦并釋放大量能量。
在此過(guò)程中，核聚變反應(yīng)仿佛一頭猛虎，要想讓它乖乖受控，就必須研發(fā)一座能承受超高溫、超低溫、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超大電流等極端環(huán)境的“籠子”，將它關(guān)住。然而，裝置運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部第一壁材料被輻射、腐蝕的情況就越嚴(yán)重，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響聚變反應(yīng)；在聚變反應(yīng)持續(xù)過(guò)程中，裝置整體電流如何保持穩(wěn)定；兆瓦級(jí)能量持續(xù)輸入時(shí)，怎樣保證裝置所有子系統(tǒng)都能穩(wěn)定工作……這些都是“造籠子”所面臨的挑戰(zhàn)。
在中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，一座直徑8米、高11米左右的“大火爐”，歷經(jīng)12萬(wàn)余次實(shí)驗(yàn)，終于將“猛虎”穩(wěn)穩(wěn)地關(guān)了403秒——2023年4月12日，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）創(chuàng)下了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行的新世界紀(jì)錄。
僅時(shí)隔1天，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，EAST成功復(fù)現(xiàn)了前一天的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“這么長(zhǎng)的時(shí)間尺度、這么高的功率、這么多的約束條件，還能夠完全重復(fù)實(shí)驗(yàn)，這是國(guó)際核聚變研究領(lǐng)域公認(rèn)的重大里程碑。”中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員龔先祖說(shuō)，目前，我國(guó)已經(jīng)處在聚變反應(yīng)‘三步走’的關(guān)鍵階段，突破了百秒量級(jí)，正在向千秒邁進(jìn)。“人造太陽(yáng)”的技術(shù)積累，還將成為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）建設(shè)和中國(guó)未來(lái)聚變反應(yīng)堆建設(shè)的重要參照。“希望我們能盡快突破穩(wěn)態(tài)聚變的研究，利用聚變?cè)谥袊?guó)點(diǎn)燃第一盞燈。”
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