灼热望远镜以整个地球为盾牌，捕捉从地球另一侧穿透的中微子，通过地球自转实现360度全天探测。

“中微子是非常神秘的宇宙幽灵使者，也是研究极端宇宙的有力工具，它们是连接宇宙中伟大与微小的完美桥梁。我们捕捉它们，了解最微小的细节，聆听它们的声音。”宇宙。”

文字| 《瞭望》 新闻周刊记者潘旭冬雪

人们如何认识宇宙？除了可见光还有其他方式吗？

《瞭望》新闻周刊记者近日在上海交通大学李正道研究所获悉，为了洞察宇宙，这里的科学家启动了史无前例的深海项目——“海钟计划”。他们的目标大胆而明确：在海底建造世界上最强大的中微子望远镜，并通过捕获高能中微子来解答宇宙射线起源等谜团。

根据现代科学研究结果，140亿年前的大爆炸创造了时间、空间和万物，包括宇宙中的基本粒子，它们是构成宇宙的最小单位。其中，中微子的表现最为惊人。它们几乎不与物质发生反应，并且可以逃离稠密的天体环境。它们是研究极端宇宙的理想使者，在过去十年中备受天文学家的关注。

根据概念设计，团队将在我国海域赤道附近水深约3.5公里的深海平原上建造直径约4公里、面积约12平方公里的探测器阵列。该阵列由1200 根电缆组成，这些电缆像巨型海藻一样垂直固定在海底。每根电缆长约700 米，彼此间隔70 至110 米。每根电缆承载着20个光学探测舱，就像深海中的一串钟声，等待着高能中微子的到来。

相关创新研发技术与装备、海试选址、概念设计等研究成果于2023年10月9日发表在国际学术期刊《自然·天文》上。一期项目建设已于2022年底启动。

“海铃望远镜将以整个地球为盾牌，捕捉从地球另一侧穿透的中微子，通过地球自转实现360度全天探测。”李政道学者、上海交通大学李政道研究所项目负责人徐冬莲表示，通俗地说，这台深海望远镜“仰视”宇宙的方式不一样。它不是“向上看”，而是“向下看”。

史无前例的深海项目

中微子广泛存在于宇宙中，是数量仅次于光子的亚原子粒子。它的诞生往往与宇宙中的极端事件有关，如宇宙大爆炸、超新星爆炸、双中子星并合、黑洞爆炸等。其中，高能中微子主要来源于宇宙射线与尘埃和尘埃的碰撞。气体。

在上海交通大学李政道研究所，记者看到了多个玻璃球，其大小与两个足球的直径差不多。它们就是——个光学探测球，是海陵中微子望远镜的基本组成部分。透过玻璃盖可以看到球面上排列着圆形和方形两种光学探测器。这是一项重大的技术创新。两个探测器的混合使用使得探测球既具有较大的光子收集面积，又具有快速的时间响应（稍后会详细介绍）。

“光学探测球的作用是收集中微子与海水反应后发出的光，并利用它来推断中微子的性质。”徐冬莲表示，中微子不带电荷，与物质的相互作用不强烈，可以像幽灵一样行动。它还能无障碍地穿越宇宙，很少丢失其所携带的宇宙信息，但因此直接探测起来极其困难。研究人员只能通过中微子的残留物与透明介质（例如水和冰）发生反应来间接检测到它。

野外大面积的透明介质可以是海洋、湖泊或冰川。如何选择海贝尔望远镜？

回顾中微子天文学的发展，世界上第一个高能中微子探测装置选择了冰川：2010年，美国在南极洲2.5公里深的冰层下建造了拥有86根电缆的冰立方中微子观测站。 2013年，首次“看到”来自宇宙的高能中微子。但后来开工的装置都无一例外地选择了水体，包括俄罗斯的贝加尔湖装置、欧盟的地中海装置以及多机构的太平洋装置。

与冰川相比，水体杂质较少，更容易观察，但流动的环境会让施工和运营变得更加困难。徐栋联告诉记者：“水基望远镜可以实现更好的指向能力，性能提升至少10倍，很难，但值得尝试。”

徐冬莲曾在IceCube学习和工作。 2018年，她回国并加入上海交通大学李政道研究院。依托交通大学在天文学、粒子物理和海洋工程方面的研究平台，她进一步探索了在我国海域建造中微子望远镜的可行性。

“宇宙是无限的，性能大幅提升的中微子望远镜可以捕获更多的中微子。通过多个设备的数据共享，世界各地的科学家可以共同探索极端天象，进一步分析极端宇宙。”徐冬莲说道。

史无前例的深海工程需要“领航员”和“舵手”。中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院原院长景一鹏担任“海陵工程”项目负责人。他战略性地回答了“海陵工程”的必要性：

从国际上看，已建成的冰立方位于南极，正在建设的贝加尔湖装置、地中海装置、太平洋装置均位于北半球中纬度地区。我国海域靠近赤道的地理位置具有得天独厚的优势。它可以通过地球的自转实现360度全天空探测，与其他国际设备相辅相成。

从国内来看，我国在多波段望远镜（如LHAASO、HXMT/eXTP、CSST、FAST）、空间引力波（如太极、天琴）和低能中微子观测站（JUNO）等方面都有布局。海岭高能中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网络尚空缺的重要环节，极大促进和完善我国多信使天文观测网络建设。

海陵望远镜所需的光学探测球（2023年10月10日拍摄） 摄影：刘英/本刊

探索道路！向海底发射“火箭”

2021年，“海陵工程”将启动首次海试任务。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号科考船等近80人参加。

一方面是选址，另一方面是自主研发装备的首次深海实战验证。上海交通大学海洋与建筑工程学院教授田新亮担任团队负责人。他说，海试部分验证了未来海陵望远镜的高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜水标志布等。 Play等核心技术。

海试过程就像向海底发射“火箭”。一般来说，火箭发射后，其所搭载的卫星被送入太空，在特定轨道上运行并进行实验。在此期间，没有其他设备或人力的协助，完全依靠卫星设备本身的自动化设施。在海上试验时，探测装置就像一颗“卫星”。被部署装置送到没有任何辅助设施的海底后，将在海底进行自动化实验，并将数据传回。

记者在上海交通大学李政道研究院看到，此次海试的探测装置有上、中、下三个玻璃球，固定在六角棱柱结构中。中间是一个发光球，它发出已知波长和频率的光。上、下两个就是前面提到的光学探测球，负责测量光的到达时间和强度。通过解码光在传播过程中的散射和吸收，可以获得海水的光学特性。

如果把夜光球比作水中的人造月亮，那么两个探测球就像在给它拍照一样。雾天拍的月亮是雾蒙蒙的。根据照片可以分析空气的含尘量。在水中也是如此。同时上下检测球和发光球采用非等距设计，通过相对测量消除系统误差。

“我们在世界上首次同时使用两个独立的光学测量系统来解码中微子反应中海水的光学特性。”徐冬莲介绍，团队提出了一种新型混合探测球形舱概念设计，紧密覆盖舱表面多种能源。检测单光子的光电倍增管形成类似于果蝇的复眼结构。同时，巧妙利用光电倍增管之间的间隙安装超快时间响应硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，实现无盲点观测。中微子在不同方向。

第一次海试完成后，团队获得了预选地点的全面信息。它是我国赤道附近海域深处约3.5公里的深海平原。海底平坦，海水清澈，海底数百米范围内流速平缓。具有建造中微子望远镜的良好环境。

“可见光在自来水中的衰减长度一般只有2至3米，预选站址海水的平均吸收长度和散射长度分别约为27米和63米。中微子之间反应的痕迹而海水可以清晰地‘记录’，更有利于重建中微子的类型、来源的方向以及携带的能量。”徐冬莲说道。

该望远镜必须在深海运行多年，因此团队必须更加关注场地的稳定性和安全性。返回上海后，他们以1:25的比例模拟了在上海交通大学船舶拖曳池内预选站址建站的情况。实验证实，在预选的流速环境下，站台现场，整个探测阵列依然一动不动。

目标是2030年左右成为世界上最有实力的表演者

大型科学装置的研制一般需要10年时间。中微子望远镜从研制到完成将是一个漫长的过程。

在上海交通大学召开的新闻发布会上，我国天文、物理领域的多位专家表达了对海凌的期待。作为我国首个深海高能中微子望远镜项目，他们认为海陵将在四个方面发挥作用：

一是发现高能天体中微子来源，准确解答宇宙线起源百年之谜。宇宙射线于1912年被发现，但一百多年过去了，人们仍然不知道它来自哪里。

二是结合其他观测方法，了解驱动极端天体现象的深层物理定律。

三是推动我国深海精密仪器和检测技术发展。

四是启动大科学计划，汇聚全球优秀科技人才。海陵建成后，将产生海量的科学数据，需要与国际科学家合作才能完成研究。

海凌预计还将推进中微子研究。中微子于1930年首次从理论上被预言出来，直到1956年才被实验观测到。科学家对其性质的研究多次刷新了我们对基本物理定律的认识，相关成果四次荣获诺贝尔奖。但中微子仍有许多未解之谜，例如它们的绝对质量以及它们是否是自己的反粒子。对中微子的更深入探索可能会再次颠覆人们对基本物理定律的理解。

目前，“海陵工程”已进入两步建设阶段。在科技部、上海市科委、上海交通大学的支持下，一期项目已于2022年底启动。

“第一阶段预计于2026年完成，目标是成为世界上第一台近赤道小型中微子望远镜，可开展银河系内外天体源搜索，并验证中微子全链条技术。”建造大型阵列。”徐冬莲说道。

一期工程由潜艇阵列、岛基测控中心、崖州湾集装箱基地和李正道研究院科学中心四部分组成。第一步是在预先选定的地点建造一系列10个望远镜，并通过长距离海底电缆将它们连接到附近岛屿的测控中心（用于供电和初步数据处理）。最后，数据传回李政道研究院科学中心进行最终分析。

终极大阵包含1200个望远镜串联，可监测约7.5立方公里海水体积中的高能中微子反应，设计寿命为20年。徐冬炼表示，终极大阵预计在2030年左右建成，与世界上其他在建或升级的高能中微子望远镜基本同时进行。届时，它将超越升级后的IceCube，成为世界上最先进的中微子望远镜。

2022年，IceCube利用10年积累的数据对活跃星系TXS0506+056的耀斑恒星进行了成像，该星系距离地球4700万光年。这个活跃星系的黑洞覆盖着大量的尘埃。即使是高能光子也无法逃逸。孩子可以逃脱。

研究小组预计，海贝尔终极大阵列将能够在建成后一年内发现位于鲸鱼座的棒旋星系NGC1068的稳定中微子源，并发现类似于最初发现的TXS0506+056的耀斑。 IceCube 使用10 年的数据进行观察。中微子从恒星中爆发出来。

从深海“仰望”宇宙。正如徐冬莲所说：“中微子是非常神秘的宇宙幽灵使者，也是研究极端宇宙的有力工具，它们是连接宇宙中伟大与微小完美的桥梁。我们捕捉它们，了解最微小的细节，聆听宇宙的声音。”