全國科普日 ｜ 致敬！“中國速度”背後的中國物理人

9月15日,由中國科協等21部門舉辦的2024年全國科普日拉開帷幕,主題為“提升全民科學素質,協力建設科技強國”。在主場活動中,中國科學院高能物理研究所攜中國散裂中子源、高海拔宇宙線觀測站(簡稱“拉索”)等新興科技成果驚艷亮相,令參觀者讚嘆不已,直呼“大開眼界”。

中國散裂中子源,被譽為探索微觀世界的“超級顯微鏡”,而拉索是世界上最靈敏的超高能伽馬探測裝置。這兩大“國之重器”不僅代表了中國在科技前沿的佈局與實力,更在解開世界之謎、突破國家重大戰略需求和前沿科學瓶頸方面發揮了舉足輕重的作用。它們從無到有的歷程,不僅既彰顯了科技強國的“中國速度”,更凝聚了一群勇闖創新“無人區”的中國物理人的智慧和汗水。與此同時,高能同步輻射光源作為我國第一台高能量同步輻射光源,可通過加速電子、發射比太陽亮1萬億倍的光,“以光為尺”,丈量物質的微觀結構及其演化機制。目前,高能追光人正在雁棲湖畔的懷柔科學城加緊建設,為早日供光支撐前沿基礎研究“加速奔跑”。

此外,今年初發射的我國面向時域天文學的“愛因斯坦探針”(EP)衛星也已完成在軌測試標定,正式進入觀測階段,其上搭載有太空Wolter-I型聚焦望遠鏡(FXT,即風行天;以下簡稱太空聚焦型望遠鏡)性能良好,已取得一系列科學成果,在中秋節期間還成功對“超級月亮”進行了觀測。

給月亮“體檢”的浪漫天文學家

當全國科普日遇到中秋節,當八月十五與超級月亮完美邂逅,為這個中秋佳節更增添一份浪漫的氛圍。科學家們利用這一“天時地利人和”的特殊時機,借助今年年初成功發射的愛因斯坦探針(EP)衛星上的太空聚焦型望遠鏡FXT給月亮進行了一次“X光體檢”。這不僅是一次科學的探索,更是一次人與自然的和諧對話。

（FXT中秋節拍攝的月球X射線圖像）

所謂天時,今年中秋恰逢月亮處在地月軌道的近地點附近,距離地球更近,所以今年的月亮肉眼可見地更大;而且今年也正好處於太陽活動峰年,太陽輻射更強,讓月亮也顯得更亮,這也為X射線波段觀測月亮提供了絕佳條件。就好像人類拍胸片,所拍攝的X光來源於X光源。在外太空給月亮“體檢”,X光並不是月亮本身發的,太陽才是X射線光源。當太陽的X光照到月亮上,FXT會看到月球表面元素被激發産生的X射線熒光,根據X射線熒光的分佈,可探索發現全月面的基本元素分佈,比如月海、高地及大型環形山的元素構成等等,這相當於月亮的X光片。

除了天時,給月亮“體檢”還離不開地利。因為地球大氣層阻隔吸收了來自外太空的X射線輻射,所以地面觀測設施無法在X射線波段看到月亮,太空聚焦型望遠鏡FXT身處外太空軌道,具有對月跟蹤觀測能力,構成了“地利”,再加上其大視場、高能量分辨率、高角分辨、獨特遮光膜設計等優勢,使中國成為在國際上第一個有能力對整個月面進行X光“體檢”的國家。

當然,任何一項科學實驗最核心的部分都是“人”,EP衛星和太空聚焦型望遠鏡FXT團隊所有成員團結一心、緊密合作構成了“人和”。作為國際合作的空間項目,歐空局(ESA)和德國馬普地外物理研究所(MPE)為FXT提供了聚焦鏡和探測器等關鍵部件;針對月球觀測的科學和標定需求,中國科學院微小衛星創新研究院和高能物理研究所的衛星團隊成員聯合設計了FXT對月自動跟蹤的觀測模式。中國科學院高能物理研究所FXT團隊和國家空間科學中心及國家天文臺的團隊成員精心制定中秋月球觀測計劃,並加班及時分析處理觀測數據。為了給月亮進行X光“體檢”,EP科研團隊中的眾多成員都付出了極大努力,真正詮釋了積智攻關、團結協作的科學家精神。

在中秋佳節、全國科普日的特殊時間節點,科學家們給月亮“體檢”不失為另一種刻骨銘心的浪漫,這份“體檢報告”也從另一個視角與大家分享了中秋賞月的樂趣。

探索微觀世界的勇士

全國科普日主場活動現場,中國散裂中子源運行原理沙盤模型前,參觀者不時對這個神奇的“中子工廠”發出驚嘆之聲。原來,這個頂尖的科學裝置不僅能研究材料中原子們“在哪”,還能發現它們在“幹什麼”;不僅應用於超級鋼、高鐵車輪、航空發動機的實驗,還能探測文物的“基因秘密”。

中國散裂中子源是國家重大科技基礎設施項目,是我國首臺、世界第四台脈衝式散裂中子源。它就像一台“超級顯微鏡”,以中子為探針,觀察微觀世界的奧秘。做一個較為形象的比喻,假設面前有一張看不見的網,我們不斷地扔出很多玻璃彈珠,彈珠有的穿網而過,有的則打在網上,彈向不同的角度。把這些彈珠的運動軌跡記錄下來,就能大致推測出網的形狀;如果彈珠發得夠多、夠密、夠強,就能把這張網精確地描繪出來,甚至推斷其材質。散裂中子源就是這樣一座生産、發射彈珠的“超級工廠”。

中國散裂中子源歷經數年的技術攻關,國産化率超過90%。在老一輩專家的培養下,新一代青年科研人員先後克服異地建設期間諸多困難,迅速成長為一支年輕化、高素質並經過大科學工程建設錘煉的優秀隊伍,平均年齡只有29歲。面對國內外同行的質疑與挑戰,這支年輕的隊伍用十多年時間闖過科技無人區,實現中國散裂中子源的從無到有。他們甘做“隱形人”,與風霜雨露為伍,與星光長夜相伴,用青春與智慧打造出了世人矚目的“中國速度”。自投入運行以來,中國散裂中子源在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾多領域産出了一批重大原創成果,為我國探索前沿科學問題、攻克産業關鍵核心技術提供了有力支撐。

與光速賽跑的科研追夢者

説起光源,你會想到什麼?是太陽、電燈?抑或是燃燒著的蠟燭……在光的大家族中,除了少數我們肉眼可見的可見光外,還有無線電波、微波、紅外線、紫外線、軟X射線、硬X射線、伽馬射線等無數我們肉眼看不見的光默默存在著。有這樣一種光源,它發出的光會比燈泡的亮度高1億億倍,比普通的X光機高10萬億倍,比太陽亮度高1萬億倍!這就是高能同步輻射光源,一個可以發出世界上最亮的“同步光”的“放大鏡”。它可以“照亮”微觀世界,通過對微觀結構多維度、實時、原位表徵,為物質做“體檢”,揭示物質微觀結構生成及演化機制。

高能同步輻射光源是我國及亞洲首臺第四代同步輻射光源,也是全球首批10皮米弧度量級自然發射度的光源之一,其核心是一台具有極低發射度的全新儲存環加速器,物理設計極具挑戰性。高能同步輻射光源加速器部副主任、研究員焦毅回憶,在加速器的修建過程中,遇到一些非常棘手的問題,尤其考驗科研團隊的是要征服世界上最小的物理孔徑。“調束初期,儲存環就有1776塊磁鐵,2500余臺電源,578個電子束流位置探測器,1360米真空室,3個高頻腔,2台脈衝衝擊器和切割磁鐵,控制信號超過10萬路,任何一個微小的硬體錯誤,例如一個硬阻攔或設備安裝錯位,都會影響電子束的軌跡,另外,HEPS與眾不同,它有注入和引出兩塊切割磁鐵,垂直物理孔徑僅兩三個毫米,對調束來説,這無疑是一個巨大的挑戰。毫不誇張地説,我們團隊三個年輕的科技工作者為此熬白了頭,徹底把這個問題克服了,並且沒走一點彎路。”

高能同步輻射光源預計將於2025年建成,將為航空航天、能源環境等領域探索未知世界、揭示物質微觀結構生成及演化機制方面發揮重要作用。這些與光速賽跑的追夢者,他們將“點亮”地球上“最亮的光”。

解開世界之謎的探索者

“原來這就是‘拉索’!”在全國科普日主場活動現場,拉索展臺前圍滿了參觀者。也許很多人不知道,拉索的出現有望解開宇宙線起源的“世紀之謎”。

高海拔宇宙線觀測站是世界上最靈敏的超高能伽馬探測裝置,位於海拔4410米四川稻城海子山。拉索為其昵稱,在藏語裏的含義是“好”。自1912年第一次發現宇宙線至今,人類依然不知道宇宙線來自哪種天體,經由什麼樣的加速機制到如此高的能量,並最終如何來到地球。拉索的建設初衷正是為了解開困擾人類百年的謎題,收集“宇宙線雨”,探究宇宙起源、天體演化。

2009年,高能物理研究所研究員曹臻代表團隊在北京香山科學會議正式提出了拉索計劃。為了尋找建設觀測站的合適地點。他們走過西藏、雲南、青海、四川省內的十多個高海拔地區,花費6年時間,最終在2014年選定四川甘孜州稻城的海子山。2017年6月,拉索開始動工,高原反應、強烈的紫外線、冬季零下三十多度的嚴寒、伴隨著偶爾傳來的狼叫……這些惡劣的自然條件,對於科研團隊來説,無疑是一場場嚴峻的考驗。然而,正是這些困難,鑄就了他們堅韌不拔的意志和勇往直前的精神。他們沒有被任何困難所“勸退”,而是堅定地走在了為探索宇宙奧秘的建設道路上。

梅花香自苦寒來。2021年,拉索在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器天體,並記錄到能量達1.4拍電子伏的伽馬光子。這是當時人類觀測到的最高能量光子,突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知,開啟了“超高能伽馬天文學”時代。緊接著拉索取得了一系列突破性科學成果,其中“拉索發現史上最亮伽馬暴的極窄噴流和十萬億電子伏特光子”入選2023年度“中國科學十大進展”。

截至目前,拉索取得了許多項世界之“最”:世界上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置、世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線源巡天普查望遠鏡,以及能量覆蓋範圍最寬的超高能宇宙線複合式立體測量系統。

“宇宙無限 信使有痕”,這是拉索觀測基地大門兩側的立柱上寫著的8個大字。我們期待這張編織好的巨網繼續捕捉宇宙“信使”在探測器上留下的痕跡,指引人類不斷向宇宙深處探尋。

逐夢蒼穹,探秘宇宙;照亮世界,造福人類。中國的科技發展一日千里,這背後凝結著我國無數科技工作者的智慧與汗水。中國科協等21部門舉辦的2024年全國科普日系列活動,讓更多人近距離感受到科技發展的成就和科學家精神的魅力,引導年輕一代心懷科學夢想、樹立創新志向。據悉,活動將持續至9月25日,讓我們共同期待更多科技之光的閃耀!