南海底部深海中微子望远镜“海铃计划”，可行！

2023/10/09

中国首个深海中微子望远镜“海铃计划”迎来新进展——由上海交大牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务，测量验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，完成海铃中微子望远镜的概念设计，相关论文发表于《自然·天文》杂志。

在南海北部的一片深约3.5公里深海平原，将垂悬起一大片“海铃”，它们如同海藻般生长于海底，被海水轻抚，将在寂静海底静听寰宇，为人类解开宇宙未解之谜提供关键线索。

这不是科幻故事，而是已经到来的多信使天文学时代中国科学家引领的可见计划。

捕捉幽灵信使

每秒钟有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体，它不带电，通过弱相互作用与物质反应，犹如幽灵一般在宇宙中穿行。中国科学院院士、海铃计划负责人景益鹏介绍，中微子可以轻松逃逸致密宇宙和天体环境而不改变方向，成为研究极端宇宙的理想信使，是了解宇宙大爆炸、黑洞爆发机制，解答宇宙射线起源等百年谜题的密钥。有关中微子的研究已多次刷新对基本物理规律的认知，四次荣获诺贝尔奖。

目前，国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）于2010年建成，将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中，因发现银河系外高能中微子开启了河外中微子天文学新时代；此外，在地中海和贝加尔湖均有部分深水中微子望远镜阵列正在运行。“当下，世界主要发达国家都在积极筹建性能优化的二代中微子望远镜，提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。二代望远镜的建成，有望催生中微子天文学和基础物理学的新突破。”海铃计划首席科学家、李政道学者徐东莲说。

“尽管中微子探测很难，但这一新兴学科具有不可估量的科学潜力，过去十年许多国家都在建设中微子望远镜。”景益鹏院士认为，海铃的总体性能高于目前运行和升级中的中微子望远镜，将能探测更多高能天体中微子，确切解答宇宙射线起源之谜；提升约10倍的指向精度，更精确地助力多信使预警；高灵敏度地观测更广阔的天区，发现新的中微子源。

由上海交通大学李政道研究所发起并牵头的“海铃计划”旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，由中国科学院院士景益鹏担任项目负责人，将与已布局的多波段望远镜和低能中微子观测站一同促进和完善我国多信使天文观测网。

深海悬“铃”首战告捷

与极地、湖泊相比，在深海建造中微子望远镜更难。2021年，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、向阳红03号科考船等机构的近80位科研人员与技术人员开启征程，合作研制适用于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。

首批探路者团队还开展了海试，在我国南海北部发现一块水深大于3500米的深海开阔盆地，满足建设大型望远镜阵列的要求，将可以利用整个地球作为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子；清澈海水可更清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹。

“我们就像向深海发射火箭一样，当海铃实验舱到达深海，成功运行，我们收集到有效的回传信号的时候，大家都很激动，”徐东莲兴奋地分享道：“预选天文台台址位于赤道附近，可以通过地球自转探测360度全天域中微子，与南极冰立方以及北半球其他中微子望远镜互补。”

“探测仪器精密，如何将密集阵列安全精准地安装到海底？24000个探测球舱和1400个海底接驳盒连接成一张网络，故障点众多，运行周期长达20年，故障后设备可修可换也需要提前考量。”项目海洋工程与技术专家、上海交大船舶与建筑工程学院教授田新亮介绍，团队解决了许多工程难题，在海试中探路者团队通过部署自研的高灵敏感光元件探测球舱部分验证了未来海铃望远镜的耐高压玻璃球舱、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。

南海阵列静听寰宇

徐东莲曾在冰立方国际合作组中学习、工作多年，在研究中逐步萌发了在南海海域建设中微子望远镜的想法。2018年徐东莲回国加入上海交大李政道研究所，依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平台，开始进一步探索国内建设中微子望远镜的可行性。2020年8月徐东莲代表“海铃计划”团队，在全国高能物理发展战略研讨会（青岛）上正式提出了南海中微子望远镜——“海铃计划”的建设规划和行动计划。

在科技部、上海科学技术委员会和上海交大的支持下，海铃一期项目已经启动，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年成为世界首个近赤道的小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。

此次发布的蓝图还揭示了海铃计划的终极大阵列——在直径约4公里、总占地面积约为12平方公里范围内，将包括约1200根望远镜串列，每根线缆长约700 米、间距70-100米，搭载约20个高分辨率光学探测球舱；每个新型混合探测球舱将舱内表面如果蝇复眼结构布局器件，实现无死角观测。

“海铃”的设计寿命为20年，可监测7.5立方公里体积海水的高能中微子反应。根据计划，该望远镜将于2030年建成。科学家乐观预计，海铃阵列建成后一年内就能够发现鲸鱼座中的棒旋星系的稳定中微子源，并发现类似于冰立方利用十年的数据才初步观察到的超大质量黑洞的中微子爆发。

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