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中关村论坛开幕成果发布,重大科技基础设施取得系列国际领先成果
新京报 记者 张璐 编辑 张牵
2024-04-25 11:35

2024中关村论坛年会4月25日开幕,10项重大科技成果发布,其中重大科技基础设施取得系列国际领先成果包括三项,分别是FAST 首次探测迄今最短轨道周期脉冲星双星系统、“拉索”发现史上最亮伽马暴十万亿电子伏特光子、EAST 实现世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行。


“拉索”发现史上最亮伽马暴十万亿电子伏特光子示意图。中国科学院高能物理研究所供图


捕捉宇宙信使——“拉索”发现史上最亮伽马暴十万亿电子伏特光子


记者从中国科学院高能物理研究所获悉,基于国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站(LHAASO)(以下简称“拉索”)的超高灵敏探测系统,科研团队探测到了史上最亮伽马射线暴(简称“伽马暴”,编号GRB 221009A),并测量高能伽马辐射的精确能谱,最高能量超过了十万亿电子伏特,为探索宇宙起源注入了全新的活力。


据中国科学院高能物理研究所研究员、“拉索”国际合作组物理协调人陈松战介绍,伽马暴是来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象,是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象,最早在1967年被发现,2019年以来人类发现了3例伽马暴辐射光子的最高能量达到1 TeV(1 TeV=1万亿电子伏特)。


2022年10月9日,“拉索”记录到来自伽马暴GRB 221009A高达10 TeV以上的伽马光子,在近60年的伽马暴研究历史上具有里程碑意义。GRB 221009A是史上最亮伽马暴,产生于一颗比太阳重20多倍的大质量恒星在燃料耗尽时的塌缩爆炸,此前“拉索”精细测量了其TeV辐射随时间完整的变化行为,确定了其辐射起源于余辉辐射,并揭示了记录到此伽马暴历史最亮的成因,相关成果于2023年6月在《科学》(Science)上发表。


此后,“拉索”正式发布了伽马暴GRB 221009A的高能伽马辐射的精确能谱,最高能量超过了十万亿电子伏特,该结果挑战了传统的伽马暴余辉的标准辐射模型,揭示出宇宙背景光对高能伽马光的吸收低于预期,红外波段宇宙背景光强度仅为现有宇宙学模型预期的40%左右。这一结果将促使人们重新考虑宇宙中星系的形成和演化过程。同时,该能谱为检验爱因斯坦相对论的适用范围、探索暗物质候选粒子——轴子等新物理研究方面提供了重要信息。相关结果于2023年11月15日在《科学进展》(Science Advances)上发表。


“拉索”是国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。“拉索”于2021年7月建成并开始高质量稳定运行,是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置,具有大视场和全天候的特点,每天可以监视2/3的天区范围,这次发现充分体现了“拉索”国际领先的灵敏度和独特优势。


未来能源之源——EAST 实现世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行


据中国科学院合肥物质科学研究院研究员龚先祖介绍,2023年4月12日21时,正在运行的世界首个全超导托卡马克EAST装置获重大成果,成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。4月13日19时,再次重复了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,标志着EAST全超导托卡马克装置高参数长脉冲稳态运行的可靠能力。


2023 年 4 月 12 日晚 ,EAST 控制大厅实验现场。中国科学院合肥物质科学研究院供图


EAST是世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置,中文名称为“东方超环”。它于2000年开工建设,2006年建成并投入运行。EAST实验装置可以对受控核聚变相关的前沿物理问题开展探索性的实验研究,被称为中国“人造太阳”。太阳每天释放出大量的光和热,因为它的内部不断进行核聚变,“人造太阳”的反应原理和太阳一样。


核聚变能是清洁低碳、安全高效的新能源。氢的同位素氘和氚发生聚变反应生成氦,核聚变原料和生成物都没有放射性,海水中蕴藏着大约40万亿吨氘,一升水能够提炼0.03克的氘,其发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油或者燃烧336公斤煤。这样算下来,地球上的海水可以供人类使用上亿年。


要创造出能够聚变反应的环境和条件,需要上亿摄氏度的高温等离子体、超过1000秒的连续运行时间和大于1兆安的等离子体电流。


龚先祖说,EAST装置是目前国际上唯一有能力开展超过400秒高约束模等离子体物理研究的平台,403秒高约束模等离子体创造新的世界纪录,为国际热核聚变实验堆ITER运行和我国自主建设运行聚变堆提供了重要的实验基础。


探索太空奥秘—— FAST 首次探测迄今最短轨道周期脉冲星双星系统


脉冲星非常小,其半径通常为10千米至15千米,密度极高,达1亿吨每立方厘米,自转很快,自转周期在1.39毫秒-76秒之间。脉冲星的发现获得了诺贝尔奖。


脉冲星是发出周期信号的致密星,可以用来研究天体物理中的辐射机制、银河系星际介质和磁场结构、纳赫兹引力波等。


据中国科学院国家天文台副研究员卢吉光介绍,观测发现,一些脉冲星处于双星系统中,和其他恒星一起绕转。通过观测脉冲星发出的周期信号的变化情况,可以分析得到这一双星系统的基本信息,如轨道周期、两个星的质量范围等。超过60%的脉冲星双星系统轨道周期长于1天。


蜘蛛类脉冲星示意图。中国科学院国家天文台供图


按照已有的天体物理学模型,如果两颗星的距离很近,脉冲星会吞噬身旁这颗恒星的物质,并使自身越转越快。因恒星初始质量较大,随着脉冲星蚕食恒星,两颗星的距离越靠越近,相互绕转速度也越来越快;随着双星系统演化,恒星被大量蚕食后质量变小,脉冲星难以继续吸积并把恒星推开,其相互绕转的速度也就变慢。这种行为类似自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为,天文学家就以两种蜘蛛的名字“红背”(redback)与“黑寡妇”(black widow)来命名这类天体,统称为蜘蛛类脉冲星(spider pulsar)。从“红背”到“黑寡妇”脉冲星-恒星系统的演化过程可长达数亿年。


此前,天文学界仅探测到分别处于“红背”与“黑寡妇”状态的脉冲星双星系统,并未发现这二者演化的中间状态。原因是在此阶段的脉冲星轨道周期非常短、两个星的距离非常近,对搜寻该系统中的脉冲星提出了极大挑战。


为了找到这样的脉冲星双星系统,需要高灵敏度的观测设备,在远短于轨道周期的时间内捕获足够多的来自于这样的系统的能量。由于天体演化一般远慢于人类日常生活的节奏,天文学家对同一目标的观测用时一般以小时甚至年作为单位来计量。而为了发现演化中间阶段的双星系统,观测时间只能是以10分钟甚至更短的时间作为单位计量。因此蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统的演化理论难以证实。


借助中国天眼FAST的超高灵敏度和极强探测能力,这一演化路径得到证实。研究团队使用FAST探测到名为M71E的双星系统,长期观测后确定,这一系统两颗星绕转一周的时间仅为53分钟,是目前已发现绕转速度最快的脉冲星双星系统,被确定为是处于“红背”到“黑寡妇”系统演化过程的中间状态,填补了蜘蛛类脉冲星演化理论的缺失环节。同时,该双星系统轨道面近乎朝向地球,极为罕见,期待进一步研究有更多发现。


这一成果于2023年6月20日由国际学术期刊《自然》在线发表,期刊审稿人评价该成果发现了一个非常有趣的脉冲星双星系统;这个发现使得脉冲星双星系统的轨道周期最短纪录大幅缩短约30%,预示着蜘蛛类脉冲星演化中存在新的未知过程。


新京报记者 张璐

编辑 张牵 校对 刘军

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