深海懸“鈴”捕捉“幽靈信使”

易蓉

在我國南海北部一片深約3.5千米的深海平原，將垂懸一大片“海鈴”，它們如同海藻般生長于海底，被海水輕撫，將在寂靜的海底靜聽寰宇，為人類解開宇宙未解之謎提供關鍵線索。

這不是科幻故事，而是已經到來的多信使天文學時代中國科學家引領的可見計劃。近來，中國首個深海中微子望遠鏡“海鈴計劃”迎來新進展——由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務，測量驗證了候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性，完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設計，相關論文發表于《自然·天文》雜志。

每秒鐘有數百萬億個太陽中微子穿透我們的身體，它們不帶電，通過弱相互作用與物質反應，猶如幽靈一般在宇宙中穿行。中國科學院院士、“海鈴計劃”負責人景益鵬介紹，中微子可以輕松逃逸致密宇宙和天體環境而不改變方向，成為研究極端宇宙的理想信使，是了解宇宙大爆炸、黑洞爆發機制，解答宇宙射線起源等百年謎題的密鑰。有關中微子的研究，已多次刷新對基本物理規律的認知。

目前，國際世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）于2010年建成，將探測器陣列建在2 500米深的南極冰層中，因發現銀河系外高能中微子開啟了河外中微子天文學新時代。此外，在地中海和貝加爾湖均有部分深水中微子望遠鏡陣列正在運行?！爱斚?，世界主要發達國家都在積極籌建性能優化的二代中微子望遠鏡，在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代中微子望遠鏡的建成，有望催生中微子天文學和基礎物理學的新突破。”“海鈴計劃”首席科學家徐東蓮說。

“盡管中微子探測很難，但這一新興學科具有不可估量的科學潛力，過去10年，許多國家都在建設中微子望遠鏡?！本耙纟i院士認為，“海鈴”的總體性能高于目前運行和升級中的中微子望遠鏡，將能探測到更多的高能天體中微子，確切解答宇宙射線起源之謎；提升約10倍的指向精度，更精確地助力多信使預警；高靈敏度地觀測更廣闊的天區，發現新的中微子源。

由上海交通大學李政道研究所發起并牽頭的“海鈴計劃”旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，將與已布局的多波段望遠鏡和低能中微子觀測站一同促進、完善我國多信使天文觀測網。

與極地、湖泊相比，在深海建造中微子望遠鏡更難。2021年，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位科研人員與技術人員開啟征程，合作研制適用于4 000米深海環境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統。

首批“海鈴探路者”團隊還開展了海試，在我國南海北部發現了一塊水深大于3 500米的深海開闊盆地，滿足建設大型望遠鏡陣列的要求，將可以利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球對面穿透而來的中微子，清澈海水可更清晰地“錄制”中微子與海水反應的蹤跡。“我們就像向深海發射火箭一樣，當‘海鈴’實驗艙到達深海，成功運行，我們收集到有效的回傳信號的時候，大家都很激動，”徐東蓮興奮地分享道，“預選天文臺臺址位于赤道附近，可以通過地球自轉探測360°全天域中微子，與南極冰立方及北半球其他中微子望遠鏡互補。”

“探測儀器精密，如何將密集陣列安全精準地安裝到海底？24 000個探測球艙和1 400個海底接駁盒連接成一張網絡，故障點眾多，運行周期長達20年，發生故障后設備可修、可換也需要提前考量。”項目海洋工程與技術專家、上海交大船舶與建筑工程學院教授田新亮介紹，團隊解決了許多工程難題，在海試中通過部署自研的高靈敏感光元件探測球艙部分驗證了未來“海鈴”望遠鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數據采集系統、數據分析與模擬、深海潛標布放等核心技術。

徐東蓮曾在冰立方國際合作組中學習、工作多年，在研究中逐步萌發了在南海海域建設中微子望遠鏡的想法。2018年，徐東蓮回國加入上海交大李政道研究所，依托上海交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺，開始進一步探索國內建設中微子望遠鏡的可行性。2020年8月，徐東蓮代表“海鈴計劃”團隊，在全國高能物理發展戰略研討會（青島）上正式提出了南海中微子望遠鏡——“海鈴計劃”的建設規劃和行動計劃。

在科技部、上?？茖W技術委員會和上海交大的支持下，“海鈴”一期項目已經啟動，擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，并通過長距離海纜連接南海某島基地，預計2026年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，開展對銀河系內外的天體源搜索，并完成建設大陣列的全鏈技術驗證。

此次發布的藍圖還揭示了“海鈴計劃”的終極大陣列——在直徑約4千米、總占地面積約為12平方千米的范圍內，將包括約1 200根望遠鏡串列，每根線纜長約700 米、間距70～100米，搭載約20個高分辨率光學探測球艙；每個新型混合探測球艙將艙內表面如果蠅復眼結構布局器件，實現無死角觀測。

“海鈴”的設計壽命為20年，可監測7.5立方千米體積海水的高能中微子反應。根據計劃，該望遠鏡將于2030年建成?？茖W家樂觀地預計，“海鈴”陣列建成后，1年內就能夠發現鯨魚座中的棒旋星系的穩定中微子源，并發現類似冰立方利用10年的數據才初步觀察到的超大質量黑洞的中微子爆發。

文章來源：《新民晚報》