我国将迈入“多信使天文学新时代”

张双虎

日前，上海交通大学李政道研究所发布了南海中微子望远镜“海铃计划”蓝图。“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所发起并牵头，旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，通过捕捉高能天体中微子来探索宇宙，加速构建多信使天文网，推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究。该项目由中国科学院院士景益鹏担任负责人、李政道研究所副教授徐东莲担任首席科学家。

1609年伽利略发明了望远镜，极大推动了天文学的发展。此后400多年，许多天文观测主要基于捕捉宇宙中传来的光子实现，如著名的哈勃空间望远镜、詹姆斯·韦布空间望远镜等，但光子仅是宇宙发送的众多信使之一。

为进一步揭开宇宙起源与演化的奥秘，人类不断尝试探寻其他信使的踪影。

2013年，南极冰立方（IceCube）首次“看”到来自宇宙的高能中微子。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）通过引力波“听”到了两个黑洞合并的壮观场景。这两大发现标志着结合光子、引力波和中微子携带的信息，揭开宇宙奥秘的“多信使天文学时代”即将来临。

科学家对中微子性质的研究已多次刷新基本物理认知，并4次荣获诺贝尔奖。但中微子仍有诸多未解之谜，如中微子的绝对质量是多少、它们是否为自身的反粒子等，有必要对中微子进行更深入的探究。

由于如幽灵般有极强的穿透力，中微子可轻松逃脱极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，是研究极端宇宙的理想信使。宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随大量中微子的产生，探测这些中微子将帮助人们理解这些剧烈过程背后的机制。

中微子天文学起源于1960年苏联物理学家马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的构想。目前世界最大、最灵敏的中微子望远镜IceCube选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。此外，在地中海的KM3NeT和在贝加尔湖的Baikal-GVD中微子望远镜项目中，均有部分深水中微子望远镜阵列在运行。

“倘若探测到宇宙射线源头伴生的中微子，就能直接溯源，确切解答宇宙射线起源的百年谜题。”徐东莲说。

深海工程技术的飞速发展，使我国建设深海中微子望远镜成为可能。我国在多波段望远镜、空间引力波和低能中微子观测站方面均有布局，海铃中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中空缺的重要一环。

2021年9月，由上海交通大学牵头的“海铃探路者”项目完成首次海试任务。来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所等机构近80位专家参与其中。

上海交通大学李政道研究所等机构研制出适用于4000米深海环境、携带高灵敏感光元件的探测球舱和相应的深海布放系统。合作单位中，中国科学技术大学团队完成了光电管测试、后端电子学研制；清华大学团队完成了高精度时钟同步系统；自然资源部第二、第三海洋研究所团队主导了流速剖面、温度、盐度等深海水文数据的采集和分析。

海试成功测量了预选海域的深海流速、原位海水光学性质、放射性本底，验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，为“海铃计划”的后续推进奠定了基础。

在此基础上，“海铃计划”团队完成了海铃中微子望远镜的概念设计。相关论文近日在《自然-天文》上发表。

“中微子望远镜以整个地球为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子。”该论文共同第一作者、上海交通大学李政道研究所博士后叶子平说，“由于位于赤道附近，海铃中微子望远镜可以通过地球的自转探测360度全天域的中微子，与南极的IceCube以及北半球的其他中微子望远镜完美互补。”

“海铃计划”的预选台址位于南海北部一个海底平原。那里深约3.5公里，海床平整，流速平缓，且海水放射性与普通海水的公开数据一致。

预选台址海水的光学属性也能满足建设大型望远镜阵列的要求。“海铃探路者”项目团队在预选台址约3420米水深处原位测量了海水的光学性质，结果显示其平均吸收和散射长度分别约为27米和63米。清澈的海水可更清晰“录制”中微子与海水反应的线索，更有利于重建中微子的种类、来源的方向和携带的能量。同时，该团队在候选台址成功布放探测球舱，部分验证了耐高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜标布放等核心技术。

基于上述结果，研究团队利用上海交通大学“思源一号”科学计算平台进行模拟计算，正式提出海铃中微子望远镜的概念设计。

研究团队创新性地提出了新型混合探测球舱概念设计——舱内表面紧密覆盖多个能探测单光子的光电倍增管（PMT），形成类似于果蝇复眼的结构，同时利用PMT之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，实现无死角观测不同方向的中微子。该团队预计，阵列建成后一年内就能发现鲸鱼座中棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源，并能发现IceCube仅收集到初步证据的TXS0506+056耀星体中微子爆发。

2022年底，在科技部、上海科學技术委员会和上海交通大学的支持下，海铃一期项目启动。海铃一期拟在选定海域建设10根望远镜串列，并通过长距离海缆连接南海某岛基地。预计2026年海铃中微子望远镜将成为世界首个近赤道的小型中微子望远镜，对银河系内外的天体源展开搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。预期在2030年前后，其将成为国际上最先进的中微子望远镜。

“中微子天文学正站在重大突破的门槛上。”徐东莲说，“当前，世界主要发达国家都在积极筹建二代中微子望远镜，以在提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。海铃中微子望远镜的建成，有望实现中微子天文学和基础物理学的新突破。”