當你乘坐飛機從世界海拔最高的機場——稻城亞丁機場起飛后，透過舷窗向下俯瞰，除了巍峨的雪山和星羅棋布的“海子”（藏地對高原湖泊的稱謂）之外，或許還能看到一個壯觀的人造工程——一個由成千上萬臺粒子探測器組成的陣列，坐落在廣袤高原上。它像一只睜開的大眼睛一樣，時刻等待著來自宇宙深處的信使，這就是世界上最靈敏的超高能伽馬探測裝置——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）。

“拉索”是世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最強的宇宙射線探測裝置，是中國國家重大科技基礎設施，已經取得多項突破性科學成果。那么，這只“眼睛”是如何捕捉虛無縹緲的宇宙射線的呢？目前已經觀測到了哪些“宇宙信號”？這篇文章，讓我們來一起認識一下這個性能強大的“宇宙之眼”。

“拉索”俯瞰圖

（中國科學院高能物理研究所）

“拉索”的四大探測器陣列

從俯瞰圖中可以看出，“拉索”由一大片密密麻麻的探測器組成，而這正是其觀測到宇宙線的核心秘密所在。

LHAASO由四種探測器組成，它們各有“絕活”。當一個來自宇宙深處的高能粒子進入大氣層后，會與空氣分子相互碰撞，產生由無數微觀粒子（如電子、繆子）組成的“粒子雨”，即空氣簇射。這些探測器會以多種方式捕捉到達地面的各種粒子，共同幫助科學家揭開宇宙線的神秘面紗。

電磁粒子探測器的內部結構示意圖

（中國科學院高能物理研究所）

電磁粒子探測器（ED）陣列

由5216個1平方米的閃爍體探測器組成，分布在1.3平方公里（相當于180個標準足球場面積）的區域內。當有電子等電磁粒子落到任何一臺探測器上，都會使閃爍體激發出光信號從而被記錄下來。同時記錄下來的還有這些粒子的到達時間，它可以精確到十億分之一秒以內！

要實現如此精確的時間測量，不僅需要探測器具有極高的時間分辨率，還需要用到高精度時間同步技術。這樣高的時間精度可以幫助科學家精確地計算出原初宇宙線粒子的方向。

繆子探測器（MD）陣列

由1188個埋在土堆下的水罐組成，它們被設計用來接收“粒子雨”中穿透力極強的繆子。在這些水罐中封裝著的是超純水，這是因為它們需要在長達20年的時間內保持水質穩定。這些水罐還被埋在土堆下，這是為了阻擋除了繆子以外的其他穿透能力較弱的粒子。

由于伽馬射線產生的繆子更少，MD與ED聯合工作，能夠幫助人們把稀少的伽馬射線從海量宇宙線背景中準確地識別出來。

繆子探測器的結構示意圖

（中國科學院高能物理研究所）

水切倫科夫探測器陣列（WCDA）

這是位于陣列中央，占地面積達78,000平方米的三個大水池，這些水池內部被分成3120個隔間，以避免信號的互相干擾。

當“粒子雨”以極高的速度沖入水中時，會激起一圈圈淡淡的藍光，就像快艇劃過水面時產生的波紋。水池底部密布著數千只極其敏感的光敏探頭，它們能瞬間捕捉到這些人眼難以察覺的微弱閃光。根據閃光出現的時間和位置，就能精確推算出產生這陣“粒子雨”的原初粒子是從哪個方向來的，能量有多大。

處于建設時期的WCDA的內部

（中國科學院高能物理研究所）

廣角大氣切倫科夫探測器陣列（WFCTA）

在水池旁邊，還矗立著18臺望遠鏡。它們就像一臺臺巨大的“單反相機”，在晴朗的夜里將鏡頭對準星空，抓拍住“粒子雨”劃過大氣留下的“側顏”。這種觀測方式能極為準確地估計出整場“粒子雨”的總能量。

這些望遠鏡可不是一般的天文望遠鏡，它們是由20多面球面鏡和硅光電倍增管組成的精密成像系統。這些望遠鏡能夠以極高的靈敏度捕捉到宇宙線次級粒子在大氣中產生的微弱的切倫科夫光，不僅能夠抵御高原環境的考驗，并且即使在月光的干擾下也能夠正常工作。

廣角大氣切倫科夫望遠鏡陣列

（中國科學院高能物理研究所）

正是憑借以上這四種數量眾多、性能強大的探測器，LHAASO才能夠在地面洞察宇宙的奧秘。

“拉索之眼”觀測到了什么？

在以上四種探測器陣列的協作配合下，“拉索”成果豐碩。從在銀河系內發現十幾個超高能宇宙加速器，到觀測到來自天鵝座的人類史上最高能量光子，再到完整記錄下最亮的“宇宙煙花”——伽馬射線暴。在“拉索”的協助下，我們一次又一次加深了對宇宙的認識。

在僅完成一半規模時，“拉索”就發現了在銀河系內普遍存在的大量超高能宇宙加速器，并記錄到了能量高達一千四百萬億電子伏的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系的傳統認知，標志著“超高能伽馬天文學”時代的開啟。2022年10月，全陣列建成的“拉索”記錄到了編號為GRB 221009A的人類有記錄以來最亮的伽馬射線暴，完整記錄了該伽馬射線暴高能余暉的爆發全過程。拉索的科學發現還包括：首次精確測量了宇宙“標準燭光”蟹狀星云在超高能段的伽馬能譜，發布了包含43個超高能伽馬射線源的星表，在天鵝座恒星形成區發現了巨型超高能伽馬射線泡狀結構，以前所未有的精度測量了宇宙線“膝”區能譜的變化等等。

下一次，當你從“拉索”上空飛過，請記得，在下方海拔4410米的高原上，有這樣一個“天陣”正默默地聆聽來自宇宙深處的低語，它不僅是科技工作者在大地上鐫刻的印記，也是人類對未知的好奇與追尋。

出品：科普中國

作者：張笑鵬（中國科學院高能物理研究所）

監制：中國科普博覽