9月15日,由中国科协等21部门举办的2024年全国科普日拉开帷幕,主题为“提升全民科学素质,协力建设科技强国”。在主场活动中,中国科学院高能物理研究所携中国散裂中子源、高海拔宇宙线观测站(简称“拉索”)等新兴科技成果惊艳亮相,令参观者赞叹不已,直呼“大开眼界”。

中国散裂中子源,被誉为探索微观世界的“超级显微镜”,而拉索是世界上最灵敏的超高能伽马探测装置。这两大“国之重器”不仅代表了中国在科技前沿的布局与实力,更在解开世界之谜、突破国家重大战略需求和前沿科学瓶颈方面发挥了举足轻重的作用。它们从无到有的历程,不仅既彰显了科技强国的“中国速度”,更凝聚了一群勇闯创新“无人区”的中国物理人的智慧和汗水。与此同时,高能同步辐射光源作为我国第一台高能量同步辐射光源,可通过加速电子、发射比太阳亮1万亿倍的光,“以光为尺”,丈量物质的微观结构及其演化机制。目前,高能追光人正在雁栖湖畔的怀柔科学城加紧建设,为早日供光支撑前沿基础研究“加速奔跑”。

此外,今年初发射的我国面向时域天文学的“爱因斯坦探针”(EP)卫星也已完成在轨测试标定,正式进入观测阶段,其上搭载有太空Wolter-I型聚焦望远镜(FXT,即风行天;以下简称太空聚焦型望远镜)性能良好,已取得一系列科学成果,在中秋节期间还成功对“超级月亮”进行了观测。

给月亮“体检”的浪漫天文学家

当全国科普日遇到中秋节,当八月十五与超级月亮完美邂逅,为这个中秋佳节更增添一份浪漫的氛围。科学家们利用这一“天时地利人和”的特殊时机,借助今年年初成功发射的爱因斯坦探针(EP)卫星上的太空聚焦型望远镜FXT给月亮进行了一次“X光体检”。这不仅是一次科学的探索,更是一次人与自然的和谐对话。

（FXT中秋节拍摄的月球X射线图像）

所谓天时,今年中秋恰逢月亮处在地月轨道的近地点附近,距离地球更近,所以今年的月亮肉眼可见地更大;而且今年也正好处于太阳活动峰年,太阳辐射更强,让月亮也显得更亮,这也为X射线波段观测月亮提供了绝佳条件。就好像人类拍胸片,所拍摄的X光来源于X光源。在外太空给月亮“体检”,X光并不是月亮本身发的,太阳才是X射线光源。当太阳的X光照到月亮上,FXT会看到月球表面元素被激发产生的X射线荧光,根据X射线荧光的分布,可探索发现全月面的基本元素分布,比如月海、高地及大型环形山的元素构成等等,这相当于月亮的X光片。

除了天时,给月亮“体检”还离不开地利。因为地球大气层阻隔吸收了来自外太空的X射线辐射,所以地面观测设施无法在X射线波段看到月亮,太空聚焦型望远镜FXT身处外太空轨道,具有对月跟踪观测能力,构成了“地利”,再加上其大视场、高能量分辨率、高角分辨、独特遮光膜设计等优势,使中国成为在国际上第一个有能力对整个月面进行X光“体检”的国家。

当然,任何一项科学实验最核心的部分都是“人”,EP卫星和太空聚焦型望远镜FXT团队所有成员团结一心、紧密合作构成了“人和”。作为国际合作的空间项目,欧空局(ESA)和德国马普地外物理研究所(MPE)为FXT提供了聚焦镜和探测器等关键部件;针对月球观测的科学和标定需求,中国科学院微小卫星创新研究院和高能物理研究所的卫星团队成员联合设计了FXT对月自动跟踪的观测模式。中国科学院高能物理研究所FXT团队和国家空间科学中心及国家天文台的团队成员精心制定中秋月球观测计划,并加班及时分析处理观测数据。为了给月亮进行X光“体检”,EP科研团队中的众多成员都付出了极大努力,真正诠释了积智攻关、团结协作的科学家精神。

在中秋佳节、全国科普日的特殊时间节点,科学家们给月亮“体检”不失为另一种刻骨铭心的浪漫,这份“体检报告”也从另一个视角与大家分享了中秋赏月的乐趣。

探索微观世界的勇士

全国科普日主场活动现场,中国散裂中子源运行原理沙盘模型前,参观者不时对这个神奇的“中子工厂”发出惊叹之声。原来,这个顶尖的科学装置不仅能研究材料中原子们“在哪里”,还能发现它们在“干什么”;不仅应用于超级钢、高铁车轮、航空发动机的实验,还能探测文物的“基因秘密”。

中国散裂中子源是国家重大科技基础设施项目,是我国首台、世界第四台脉冲式散裂中子源。它就像一台“超级显微镜”,以中子为探针,观察微观世界的奥秘。做一个较为形象的比喻,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。散裂中子源就是这样一座生产、发射弹珠的“超级工厂”。

中国散裂中子源历经数年的技术攻关,国产化率超过90%。在老一辈专家的培养下,新一代青年科研人员先后克服异地建设期间诸多困难,迅速成长为一支年轻化、高素质并经过大科学工程建设锤炼的优秀队伍,平均年龄只有29岁。面对国内外同行的质疑与挑战,这支年轻的队伍用十多年时间闯过科技无人区,实现中国散裂中子源的从无到有。他们甘做“隐形人”,与风霜雨露为伍,与星光长夜相伴,用青春与智慧打造出了世人瞩目的“中国速度”。自投入运行以来,中国散裂中子源在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等众多领域产出了一批重大原创成果,为我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术提供了有力支撑。

与光速赛跑的科研追梦者

说起光源,你会想到什么?是太阳、电灯?抑或是燃烧着的蜡烛……在光的大家族中,除了少数我们肉眼可见的可见光外,还有无线电波、微波、红外线、紫外线、软X射线、硬X射线、伽马射线等无数我们肉眼看不见的光默默存在着。有这样一种光源,它发出的光会比灯泡的亮度高1亿亿倍,比普通的X光机高10万亿倍,比太阳亮度高1万亿倍!这就是高能同步辐射光源,一个可以发出世界上最亮的“同步光”的“放大镜”。它可以“照亮”微观世界,通过对微观结构多维度、实时、原位表征,为物质做“体检”,揭示物质微观结构生成及演化机制。

高能同步辐射光源是我国及亚洲首台第四代同步辐射光源,也是全球首批10皮米弧度量级自然发射度的光源之一,其核心是一台具有极低发射度的全新储存环加速器,物理设计极具挑战性。高能同步辐射光源加速器部副主任、研究员焦毅回忆,在加速器的修建过程中,遇到一些非常棘手的问题,尤其考验科研团队的是要征服世界上最小的物理孔径。“调束初期,储存环就有1776块磁铁,2500余台电源,578个电子束流位置探测器,1360米真空室,3个高频腔,2台脉冲冲击器和切割磁铁,控制信号超过10万路,任何一个微小的硬件错误,例如一个硬阻拦或设备安装错位,都会影响电子束的轨迹,另外,HEPS与众不同,它有注入和引出两块切割磁铁,垂直物理孔径仅两三个毫米,对调束来说,这无疑是一个巨大的挑战。毫不夸张地说,我们团队三个年轻的科技工作者为此熬白了头,彻底把这个问题克服了,并且没走一点弯路。”

高能同步辐射光源预计将于2025年建成,将为航空航天、能源环境等领域探索未知世界、揭示物质微观结构生成及演化机制方面发挥重要作用。这些与光速赛跑的追梦者,他们将“点亮”地球上“最亮的光”。

解开世界之谜的探索者

“原来这就是‘拉索’!”在全国科普日主场活动现场,拉索展台前围满了参观者。也许很多人不知道,拉索的出现有望解开宇宙线起源的“世纪之谜”。

高海拔宇宙线观测站是世界上最灵敏的超高能伽马探测装置,位于海拔4410米四川稻城海子山。拉索为其昵称,在藏语里的含义是“好”。自1912年第一次发现宇宙线至今,人类依然不知道宇宙线来自哪种天体,经由什么样的加速机制到如此高的能量,并最终如何来到地球。拉索的建设初衷正是为了解开困扰人类百年的谜题,收集“宇宙线雨”,探究宇宙起源、天体演化。

2009年,高能物理研究所研究员曹臻代表团队在北京香山科学会议正式提出了拉索计划。为了寻找建设观测站的合适地点。他们走过西藏、云南、青海、四川省内的十多个高海拔地区,花费6年时间,最终在2014年选定四川甘孜州稻城的海子山。2017年6月,拉索开始动工,高原反应、强烈的紫外线、冬季零下三十多度的严寒、伴随着偶尔传来的狼叫……这些恶劣的自然条件,对于科研团队来说,无疑是一场场严峻的考验。然而,正是这些困难,铸就了他们坚韧不拔的意志和勇往直前的精神。他们没有被任何困难所“劝退”,而是坚定地走在了为探索宇宙奥秘的建设道路上。

梅花香自苦寒来。2021年,拉索在银河系内发现大量超高能宇宙加速器天体,并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子。这是当时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”时代。紧接着拉索取得了一系列突破性科学成果,其中“拉索发现史上最亮伽马暴的极窄喷流和十万亿电子伏特光子”入选2023年度“中国科学十大进展”。

截至目前,拉索取得了许多项世界之“最”:世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、世界上灵敏度最高的甚高能伽马射线源巡天普查望远镜,以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统。

“宇宙无限 信使有痕”,这是拉索观测基地大门两侧的立柱上写着的8个大字。我们期待这张编织好的巨网继续捕捉宇宙“信使”在探测器上留下的痕迹,指引人类不断向宇宙深处探寻。

逐梦苍穹,探秘宇宙;照亮世界,造福人类。中国的科技发展一日千里,这背后凝结着我国无数科技工作者的智慧与汗水。中国科协等21部门举办的2024年全国科普日系列活动,让更多人近距离感受到科技发展的成就和科学家精神的魅力,引导年轻一代心怀科学梦想、树立创新志向。据悉,活动将持续至9月25日,让我们共同期待更多科技之光的闪耀!

资料来源: 中国科学院高能物理研究所、光明日报等