中国天眼、拉索……重大科技基础设施取得系列国际领先成果_

“中国天眼”利用“千里眼”捕捉宇宙中微弱的电磁波信号，倾听宇宙深处的低语；“拉索”聚焦宇宙线与地球大气碰撞引发的粒子“阵雨”，解密神秘的宇宙线；“人造太阳”实现世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行，用核聚变点亮第一盏灯的日子越来越近……在4月25日举行的2024中关村论坛年会开幕式重大成果发布环节上，“重大科技基础设施取得系列国际领先成果”被列为十大成果之一。

“中国天眼”填补蜘蛛类脉冲星演化缺失

不过5分钟的巡天一瞥，“中国天眼”（500米口径球面射电望远镜，FAST）就发现了一个处于轨道周期仅为53分钟的双星系统中的脉冲星——这是人类发现的轨道周期最短的脉冲星双星系统。

脉冲星的自转速度通常十分稳定，其发出的辐射束会以近乎固定的间隔扫过地球。而处在双星系统中的脉冲星，会因其特有的蚕食过程（吸积）导致自转速度发生变化——脉冲星会先吞掉身旁伴星的物质，两星越靠越近，相互绕转速度也越来越快；当伴星被大量蚕食质量变小后，角动量守恒效应导致双星间距增大，绕转速度也就变慢。

这个过程，与自然界中雌蜘蛛吞食雄蜘蛛供养自身的行为相似，这类天体因而得名“红背蜘蛛脉冲星”和“黑寡妇蜘蛛脉冲星”，统称为蜘蛛类脉冲星。“从‘红背’到‘黑寡妇’，中间的演化过程可长达数亿年。”中国科学院国家天文台副研究员潘之辰介绍，此前天文学界并未证实二者演化的中间状态，“处于中间阶段的脉冲星轨道周期非常短，两星的距离非常近，搜索该系统中的脉冲星挑战极大。”

FAST具备的超高灵敏度和极强探测能力，让这一难题在日常巡天时就得到了解答，短短5分钟即帮助科研团队锁定了名为M71E的脉冲星。又经过1年多的持续监测，科研团队确认，该脉冲星双星系统绕转一周的时间仅为53分钟，是目前已发现的绕转速度最快的蜘蛛脉冲星系统，填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。

“对脉冲星的观测周期在其轨道周期的十分之一以下，才能更好地避免轨道运动产生的不利影响。FAST观测5分钟的信号信噪比，比其他同波段射电观测设备1至2小时得到的信号还要优秀。”潘之辰说。

作为世界上灵敏度最高的单口径射电望远镜，FAST自投入运行以来，已经发现了超过900颗脉冲星，是同一时期国外同类型望远镜监测数量总和的3倍以上。目前，FAST最新观测季的自由申请观测项目正在面向全世界公开征集，“中国天眼”向全球开放。

“中国天眼”航拍图

“拉索”发布最亮伽马射线暴精确能谱

宇宙中的“黑暗迷雾”可能不如想象中浓厚，伽马射线暴余辉的标准模型或许也要进一步修正。围绕迄今最亮的伽马射线暴，中国科学院高能物理研究所牵头的拉索国际合作组绘制出了它最精确的高能辐射能谱。

在四川省稻城县平均海拔4410米的海子山上，“拉索”（高海拔宇宙线观测站，LHAASO）全天候望向深空。一颗位于银河系外的“超级太阳”化为持续几百秒的“宇宙烟花”——伽马射线暴GRB 221009A，其发出的大量伽马光子跨越24亿光年抵达地球。2022年10月9日，世界多个大科学装置均探测到了该事件，但只有“拉索”创下纪录，记录到10万亿电子伏特以上的光子。“这可以说是伽马射线暴60年研究历史的一个里程碑。”中国科学院高能物理研究所研究员陈松战说。

围绕这封“太空来信”展开分析，科研人员脑海中的疑问只增不减。能谱中，逆势增强的余辉辐射对伽马射线暴余辉标准模型提出挑战；高能伽马光子成功突破宇宙“黑暗迷雾”飞抵地球，显示出红外波段的宇宙背景光强度仅为现有模型预期的40%左右；暗物质候选粒子——轴子不受宇宙背景光影响，观测结果能否成为其存在的佐证……在“拉索”的助力下，科研人员正在开启新物理探索之门。

作为国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，“拉索”拥有三大利器。1188个缪子探测器和5216个电磁粒子探测器，配合组成了1平方公里的地面簇射粒子探测器阵列；正中心的水切伦科夫探测器阵列是一片占地78000平方米的纯净水水池，水池底部布置了国产巨型光电倍增管；18台广角切伦科夫望远镜阵列则采用新型硅光电管，让望远镜能在月夜工作。它们协同配合，能全方位、多变量地测量来自高能天体的伽马射线和宇宙线。

“虽然‘拉索’占地面积大，又处在野外环境，但从2021年至今，装置始终以接近100%的完好率稳定运行。”陈松战介绍，来自30家国内外天体物理研究机构的280余名科研人员，组成了拉索国际合作组。随着经验的累积，成果产出速度正在加快，仅今年第一季度，合作组就已发布了3项重大成果。至少在未来10年，高能伽马射线天文学研究将属于“拉索”。

“拉索”发现史上最亮伽马暴十万亿电子伏特光子示意图

“人造太阳”实现403秒可重复高约束运行

宜居的地球环境，离不开太阳核聚变反应后释放的光和热，“人造太阳”则利用相似的核聚变反应机制，有望推动人类实现能源自由。

当氘原子和氚原子飞入真空环境，在背景磁场的作用下，原子被电离形成氘离子、氚离子和若干个电子的等离子体状态，悬浮在真空室内部。由于氘离子、氚离子带有正电荷，天然相互排斥，当温度上升至1亿摄氏度时，大量氘、氚离子在无规则的运动轨迹下结合碰撞，会发生聚变反应，融合生成氦并释放大量能量。

在此过程中，核聚变反应仿佛一头猛虎，要想让它乖乖受控，就必须研发一座能承受超高温、超低温、超高真空、超强磁场、超大电流等极端环境的“笼子”，将它关住。然而，装置运行时间越长，内部第一壁材料被辐射、腐蚀的情况就越严重，这反过来又会影响聚变反应；在聚变反应持续过程中，装置整体电流如何保持稳定；兆瓦级能量持续输入时，怎样保证装置所有子系统都能稳定工作……这些都是“造笼子”所面临的挑战。

在中国科学院合肥物质科学研究院，一座直径8米、高11米左右的“大火炉”，历经12万余次实验，终于将“猛虎”稳稳地关了403秒——2023年4月12日，全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创下了稳态高约束模式等离子体运行的新世界纪录。

仅时隔1天，在同样的实验条件下，EAST成功复现了前一天的实验结果。“这么长的时间尺度、这么高的功率、这么多的约束条件，还能够完全重复实验，这是国际核聚变研究领域公认的重大里程碑。”中国科学院合肥物质科学研究院研究员龚先祖说，目前，我国已经处在聚变反应‘三步走’的关键阶段，突破了百秒量级，正在向千秒迈进。“人造太阳”的技术积累，还将成为国际热核聚变实验堆（ITER）建设和中国未来聚变反应堆建设的重要参照。“希望我们能尽快突破稳态聚变的研究，利用聚变在中国点燃第一盏灯。”