中國科學家啟動了“海鈴計劃”：前所未有深海大工程

◇海鈴望遠鏡利用整個地球作為屏蔽體，捕捉從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆樱ㄟ^地球自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天域探測

◇“中微子是非常神秘的宇宙幽靈信使，也是研究極端宇宙的利器，是連接宇宙中極大和極小完美的橋梁。我們捕捉它們，見微知著，靜聽寰宇。”

人們靠什么了解宇宙？除了看得見的光，還有其他辦法嗎？

《瞭望》新聞周刊記者近日在上海交通大學李政道研究所了解到，為了洞悉宇宙，這里的科學家啟動了一個前所未有的深海大工程——“海鈴計劃”。他們的目標大膽而明確：在海底打造一臺全球性能最強的中微子望遠鏡，通過捕捉高能中微子解答宇宙射線起源等謎題。

按現(xiàn)代科研結果，140億年前的宇宙大爆炸，創(chuàng)造了時空和萬物，包括宇宙中的基本粒子，它們是構成宇宙最小的單元。其中，中微子很神奇，它們幾乎不與物質(zhì)發(fā)生反應，可以從致密的天體環(huán)境當中逃離出來，是研究極端宇宙的理想信使，近十年來備受天文學家關注。

根據(jù)概念設計，該團隊將在我國海域靠近赤道一個深約3.5公里的深海平原建設直徑約4公里、占地約12平方公里的探測器陣列。陣列由1200根線纜組成，這些線纜像巨型海藻一樣垂直地錨定于海床上，每根長約700米，互相間距70米至110米。每根線纜搭載20個光學探測球艙，如同深海中的一串鈴鐺，靜待高能中微子的到來。

相關創(chuàng)新研發(fā)技術和設備、海試選址、概念設計等研究成果2023年10月9日發(fā)表于國際學術期刊《自然·天文》，項目一期建設已于2022年底啟動。

“海鈴望遠鏡將利用整個地球作為屏蔽體，捕捉從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆樱ㄟ^地球自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天域探測。”上海交通大學李政道研究所李政道學者、項目首席科學家徐東蓮說，通俗地講，這個深海望遠鏡“仰望”宇宙的方式有所不同，它不是“朝上看”，而是“朝下看”。

前所未有的深海大工程

中微子廣泛存在于宇宙中，是數(shù)量僅次于光子的次原子粒子。其誕生往往與宇宙中的極端事件有關，比如宇宙大爆炸、超新星爆發(fā)、雙中子星并合、黑洞爆發(fā)等。其中，高能中微子主要源于宇宙射線與塵埃和氣體的碰撞。

在上海交通大學李政道研究所，記者看到了多顆玻璃球，大小與兩個足球的直徑相當，它們就是海鈴中微子望遠鏡的基本組成單元——光學探測球。透過玻璃罩可以看到，球面混合排布著圓形和方形的兩種光學探測器。這是一大技術創(chuàng)新，兩種探測器混合使用使探測球兼具光子收集面積大和時間響應速度快兩種性能（后文還將詳述）。

“光學探測球的作用是收集中微子與海水反應后發(fā)出的光，以此倒推中微子的性質(zhì)。”徐東蓮說，中微子不帶電、不與物質(zhì)發(fā)生強相互作用，可以像幽靈一樣在宇宙中無障礙穿行，很少損耗其自身攜帶的宇宙信息，但也因而極難被直接探測，研究人員只能通過中微子與透明介質(zhì)（比如水和冰）反應后的遺跡間接探測。

野外大面積的透明介質(zhì)環(huán)境，可以是海洋湖泊，也可以是冰川，海鈴望遠鏡怎么選呢？

回顧中微子天文學的發(fā)展，全球首個高能中微子探測裝置選擇了冰川：2010年，美國在南極2.5公里深的冰層之下建成含有86根線纜的冰立方中微子天文臺，并在2013年首次“看”到了來自宇宙的高能中微子。不過，之后啟動建設的裝置不約而同選擇了水體，有俄羅斯的貝加爾湖裝置、歐盟的地中海裝置和多機構聯(lián)合的太平洋裝置。

相比冰川，水體的雜質(zhì)更少、更利于觀測，但流動的環(huán)境會提高建設和運營的難度。徐東蓮告訴記者：“水基望遠鏡能獲得更好的指向能力，性能至少提升10倍。困難，但值得嘗試。”

徐東蓮曾在冰立方學習、工作，2018年回國加入上海交通大學李政道研究所，依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺，進一步探索在我國海域建設中微子望遠鏡的可行性。

“宇宙是無窮的，性能大幅提升的中微子望遠鏡能捕獲更多中微子，通過多個裝置數(shù)據(jù)共享，全球科學家可以聯(lián)合挖掘極端天體現(xiàn)象，進一步解析極端宇宙。”徐東蓮說。

一個前所未有的深海大工程，需要“領航者”，也需要“掌舵人”。中國科學院院士、曾任上海交通大學物理與天文學院院長等職務的景益鵬擔任“海鈴計劃”項目負責人，他從戰(zhàn)略上解答了“海鈴計劃”的必要性：

從國際上看，已經(jīng)建成的冰立方位于南極，正在建設的貝加爾湖裝置、地中海裝置和太平洋裝置均位于北半球中緯度地區(qū)。在我國海域靠近赤道位置選址有獨特優(yōu)勢，可以通過地球自轉(zhuǎn)實現(xiàn)360度全天域探測，與其他國際裝置形成互補。

從國內(nèi)來看，我國在多波段望遠鏡（如LHAASO，HXMT/eXTP，CSST，F(xiàn)AST）、空間引力波（如太極和天琴）和低能中微子觀測站（JUNO）均有布局，海鈴高能中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網(wǎng)中尚且空缺的重要一環(huán)，極大促進和完善我國多信使天文觀測網(wǎng)建設。

海鈴望遠鏡所需的光學探測球（2023 年 10 月 10 日攝） 劉穎攝 / 本刊

探路！向海底發(fā)射“火箭”

2021年，“海鈴計劃”首次海試任務啟動。來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等機構的近80位人員共同參與。

一方面是選址，另一方面是自研設備首次深海實戰(zhàn)驗證。上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院教授田新亮擔任領隊，他表示，海試部分驗證了未來海鈴望遠鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛標布放等核心技術。

海試過程如同向海底發(fā)射“火箭”。一般來說，火箭發(fā)射升空后，其運載的衛(wèi)星被送入太空，在特定軌道上運行并開展實驗，期間沒有其他設備和人力的輔助，完全依托衛(wèi)星裝置本身的自動化設施。海試時，探測裝置就像“衛(wèi)星”，被布放裝置送入沒有任何輔助設施的海底后，將在海底開展自動化實驗并回傳數(shù)據(jù)。

記者在上海交通大學李政道研究所看到，海試的探測裝置以六棱柱結構固定了上中下三個玻璃球。中間的是發(fā)光球，以已知波長、頻率發(fā)光。上下兩個均為前文中所說的光學探測球，負責測量光到達的時間和強度，通過解碼光在傳播過程中的散射和吸收情況，得出海水的光學性質(zhì)。

如果把發(fā)光球比作水中的人造月亮，那么兩個探測球就像對著它拍照，霧霾天拍出來的月亮朦朦朧朧，可以根據(jù)照片分析出空氣的灰塵度，在水中同樣道理。同時，上下兩個探測球與發(fā)光球之間采取非等距設計，通過相對測量消除系統(tǒng)誤差。

“我們在全球首次同時使用兩套獨立的光學測量系統(tǒng)，解碼了中微子反應的海水光學性質(zhì)。”徐東蓮介紹，團隊提出新型混合探測球艙概念設計，在艙內(nèi)表面緊密覆蓋了多個能探測到單光子的光電倍增管，形成類似于果蠅的復眼結構，同時巧妙利用光電倍增管之間的空隙安裝超快時間響應的硅光電倍增管，進一步優(yōu)化中微子探測性能，無死角觀測不同方向的中微子。

首次海試完成后，團隊全方位獲得了預選臺址的情況。那是我國海域靠近赤道位置一個深約3.5公里的深海平原，海床平整、海水清澈、海底數(shù)百米高度范圍內(nèi)流速平緩，擁有建設中微子望遠鏡的良好環(huán)境。

“可見光在自來水中的衰減長度一般只有2米至3米，而預選臺址的海水平均吸收和散射長度分別約27米和63米，可以清晰‘錄制’中微子與海水反應的蹤跡，更利于重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。”徐東蓮說。

望遠鏡要在深海長年運行，團隊必須更加重視臺址的穩(wěn)定性和安全性?；氐缴虾：?，他們在上海交通大學的船舶拖曳水池中以1:25縮比例模擬了在預選臺址建站的情況。實驗證實，在預選臺址的流速環(huán)境下，整個探測陣列紋絲不動。

瞄準2030前后成為全球性能最強

大科學裝置一般以10年為量級研制。中微子望遠鏡從研制到建成會是一個漫長過程。

在上海交通大學的發(fā)布會上，我國天文學和物理學領域多位專家表達了對海鈴的期待。作為中國首個深海高能中微子望遠鏡項目，他們認為海鈴會在四方面發(fā)揮作用：

一是發(fā)現(xiàn)高能天體中微子源，確切解答宇宙射線起源的世紀之謎。宇宙射線發(fā)現(xiàn)于1912年，但一百多年過去了，人們?nèi)耘f不知其來源于何處。

二是結合其他觀測手段，理解驅(qū)動極端天體現(xiàn)象的深層物理規(guī)律。

三是推動我國深海精密儀器及探測技術發(fā)展。

四是發(fā)起大科學計劃，凝聚世界優(yōu)秀科技人才。海鈴建成后將產(chǎn)生海量科學數(shù)據(jù)，需要聯(lián)合國際科學家完成研究。

海鈴還有望推動中微子的研究。中微子在1930年首次被理論預言，直到1956年才被實驗觀測到。科學家對其性質(zhì)的研究已多次刷新我們對基本物理規(guī)律的認知，相關成果四次榮獲諾貝爾獎。但中微子仍有許多未解之謎，如其絕對質(zhì)量為多少、它們是否為自身的反粒子等。對中微子更深入的探究，或再次顛覆人們對基本物理規(guī)律的認知。

目前，“海鈴計劃”已進入兩步走建設階段。在科技部、上海市科委和上海交通大學的支持下，一期項目已于2022年底啟動。

“一期預計2026年建成，目標是成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，可以開展銀河系內(nèi)外的天體源搜索，并驗證建設大陣列的全鏈技術。”徐東蓮說。

一期由海底陣列、島基測控中心、崖州灣集裝基地和李政道研究所科學中心四個部分組成。首先是在預選臺址建設10根望遠鏡串列，通過長距離海纜連接臨近島嶼上的測控中心（用于供電和初步數(shù)據(jù)處理），最后數(shù)據(jù)傳回到李政道研究所科學中心進行最終分析。

終極大陣列包含1200根望遠鏡串列，可監(jiān)測高能中微子反應的海水體積約7.5立方公里，設計壽命20年。徐東蓮介紹，終極大陣列預期在2030年前后建成，基本與世界上其他在建或升級的高能中微子望遠鏡同期，屆時將超過升級后的冰立方，成為國際上最先進的中微子望遠鏡。

2022年，冰立方用了10年累積的數(shù)據(jù)成像出距地球4700萬光年外的活動星系TXS0506+056耀星體，這個活動星系黑洞被大量塵埃覆蓋，即使是高能光子也無法逃逸，只有中微子能逃逸出來。

團隊預計，海鈴終極大陣列建成后一年內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚座中的棒旋星系NGC1068的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似于冰立方利用10年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的TXS0506+056耀星體的中微子爆發(fā)。

從深海“仰望”宇宙。正如徐東蓮所說：“中微子是非常神秘的宇宙幽靈信使，也是研究極端宇宙的利器，是連接宇宙中極大和極小完美的橋梁。我們捕捉它們，見微知著，靜聽寰宇。”