4000米高山上的这个观测站 希望为宇宙线起源之谜“一锤定音”

  LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置,部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展,未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一世纪之谜,并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。

  浩瀚宇宙,渺渺星空,在空荡荡的星际空间,有许多肉眼不可见的微观高能粒子在以接近光速飞行。平均而言,这些粒子可以在银河系内飞行百万年,其中有极少部分粒子与地球不期而遇,成为地球上神秘的“天外来客”。

  1911年,奥地利物理学家赫斯乘坐气球,飞行到5千米的高空,首次发现这位来自宇宙的“客人”,这位“客人”被命名为“宇宙线”,赫斯也因宇宙线的发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。这一发现开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。

  近日,国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站拉索(LHAASO)正式通过性能工艺验收,这标志着拉索已经建成,并正式进入科学运行阶段。建在4000米高海拔山端的拉索,以探索高能宇宙线起源以及相关的高能天体演化和暗物质研究为核心科学目标,正式开始科学运行后每天可以积累1.7亿个超高能宇宙线事例和20多亿个甚高能宇宙线事例。

  什么是宇宙线?

  赫斯是通过宇宙线在空气中产生的电离效应来证明其存在的,随后产生的首个问题就是宇宙线是什么粒子,这个问题困扰了人类很长时间。

  刚开始,大多数人误认为它是来自宇宙的一种远高于X射线的高频电磁辐射,“宇宙线(即宇宙射线)”这个名字就是美国实验物理学家密立根在1925年首次提出,虽然这是当时对宇宙线的一种错误认识,但是这个名字一直沿用至今。

  1932年,美国物理学家康普顿组织了大量人力对地球上不同地理纬度的宇宙线强度进行了测量,发现了地球磁场对宇宙线强度的调制效应,判定原初的宇宙线是带电粒子,而不是光子。

  如今,人类可以利用先进的粒子鉴别技术,搭载高空气球、卫星或空间站到大气层顶部直接测定宇宙线的种类,知道了宇宙线主要是由带正电的原子核组成,其中含量最高的是质子(即氢原子核),还有元素周期表中的多种原子核,还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。

  在人造粒子加速器诞生之前的时代,宇宙线是唯一的高能粒子源,是人类研究高能微观粒子与物质相互作用规律的唯一工具。20世纪60年代,人造加速器的发展和粒子对撞机的出现,让宇宙线在粒子物理中的作用被取代,宇宙线的研究也逐渐转向粒子天体物理方面。

  宇宙线源自何方?

  迄今为止,人们观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到1020电子伏特(eV),是人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机所能加速粒子能量的1000万倍。这么高能量的宇宙线起源于什么天体?它们是如何被加速到极端高的能量的?这些问题长期推动着人类去探索宇宙和大自然的奥秘,其中最基本最核心的问题是起源问题,被称为“世纪之谜”。

  宇宙线为带电粒子,在传播过程中会被宇宙空间中的磁场影响后偏转运动方向进而失去源头位置信息,所以通过宇宙线粒子探测并不能找到宇宙线的起源天体。宇宙线的能谱从1011eV到1020eV大体呈现为幂律形式,表现为非热加速起源特性。中间有两个明显特征:在1015eV附近能谱变软,呈现出“膝”形结构;在1018eV附近能谱变硬,呈现出了“踝”形结构,这些结构蕴含关于宇宙线起源的重要信息。根据银河系内天体的尺度和磁场强度对宇宙线加速上限的估计,一般认为,“膝”区能量及以下的宇宙线起源于银河系内的天体源,而“踝”区能量以上的宇宙线起源于银河系外。

  宇宙线的测量特征说明其起源于非热辐射过程,而且能量非常高。人类根据对太阳的认识,认为普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此,宇宙线的发源地必然进行着极端剧烈的变化或者具备极端的物理条件。根据伽马射线天文观测结果,目前的候选天体主要有超新星及其遗迹星云、脉冲星及其风云、年轻大质量星团、双星系统、伽马射线暴、活动星系核等,这些候选源的共同特征是存在强激波。

  如何探寻宇宙线?

  高能伽马天文、高能中微子天文、极高能宇宙线天文是寻找宇宙线起源的三大重要支柱。高能中微子和极高能宇宙线天体源的探测可以为宇宙线起源探索提供“一锤定音”的证据。

  此外,伽马射线是示踪其父辈带电粒子加速的重要探针,这些伽马射线天体源为宇宙线起源天体的寻找提供了重要的候选天体。伽马辐射存在两种可能的起源:一是高能电子与低能光子逆康普顿散射过程产生,即轻子起源;二是高能强子宇宙线与周围物质通过强子—强子相互作用的次级中性π介子衰变产生,即强子起源。

  强子宇宙线在宇宙线占据绝对主导份额,宇宙线起源问题的研究就是寻找强子宇宙线的起源天体。所以通过伽马射线观测寻找宇宙线起源的重点就是确定伽马射线的辐射机制,排除轻子起源和寻找强子起源证据,但是这同时也是难点所在,因为大部分源在GeV-TeV(1G=109,1T=1012)能区,很难区分这两种辐射机制,目前大部分伽马射线源倾向于轻子源。

  轻子辐射和强子辐射的一个区分点是在超高能区。高能电子在星际磁场与辐射场中的冷却时标随能量升高而变短,100TeV以上存在Klein-Nishina高能压低效应,而强子源辐射的100TeV以上伽马射线不存在这些问题,因此超高能伽马射线是目前通过伽马射线确认宇宙线起源的希望,而且可以直接解决能量达PeV(1P=1015)量级的银河宇宙线起源问题,LHAASO就是为此目标而设计的。

  拉索能做什么?

  LHAASO作为近年来以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,探测面积达到1.36平方千米,是国际同类装置西藏羊八井ASγ实验的20倍和美国HAWC实验的60倍。LHAASO在超高能区的灵敏度是国际同类装置10倍以上,同时也远高于下一代大型切伦科夫望远镜阵列,预计未来相当长时间内在超高能区保持国际领先。此外,LHAASO还是全球最灵敏的大视场甚高能伽马射线探测装置。

  基于1/2阵列11个月数据,LHAASO取得了第一个突破性进展,并于2021年5月17日发布在《自然》上,即发现了12个高显著的稳定超高能伽马射线源,其光子能谱一直延伸到1PeV附近未见明显截断,从而确认了银河系内首批PeV粒子宇宙加速器,并揭示PeV加速器在银河系内可能普遍存在。这些发现开启了超高能伽马天文观测时代,表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,为破解宇宙线起源这个世纪之谜指明了方向。

  这次成果还包括记录到迄今人类观测到的最高能量光子,能量达1.42±0.13PeV,该区内部大量存在恒星生生死死的剧烈活动,具有复杂的强激波环境,是理想的宇宙线加速场所。如果LHAASO未来进行深入观测,则有可能为强子辐射起源提供强有力证据,将成为解开“世纪之谜”的突破口。

  2021年7月9日,《科学》发布了LHAASO的第二个重要科学成果,测量了高能天文学标准烛光蟹状星云的最高能量端能谱,此次研究不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果,还将标准烛光的测量范围由0.3PeV拓展至1.1PeV。

  LHAASO预期每年可以记录到1—2个来自蟹状星云的PeV光子,未来几年内将可以探索更多关于PeV粒子加速的奥秘。

  LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置,部分阵列近1年观测已经接连取得突破性进展,其全阵列已于2021年7月正式开始运行,未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一“世纪之谜”,并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。

  (作者系中国科学院高能物理研究所研究员,原载于《前沿科学》2021年第3期,有删节)

【万里长空且为忠魂舞——黄梅戏《不朽的骄杨》观后】2021年,安庆再芬黄梅戏艺术剧院推出了大型原创无场次黄梅戏《不朽的骄杨》,该剧入选了文化和旅游部“庆祝中国共产党成立100周年舞台艺术精品创作工程”,其编剧黄昌勇现任上海戏剧学院院长,这是他第一次为黄梅戏创作剧本,也是该剧主演、黄梅戏表演艺术家韩再芬第一次担纲导演的大戏。此番编剧、导演调动起多年的人生体验和艺术积累,尽情开拓艺术想象力,塑造了杨开慧坚贞不屈的女共产党员光辉形象,让她年轻鲜活的生命之花绚丽绽放在了黄梅戏的舞台上。

杨开慧烈士以短暂的生命在中共党史上写下了浓墨重彩的一笔,新中国成立60周年时当选为“100位为新中国成立作出突出贡献的英雄模范人物”之一。该剧文本结构独特,黄昌勇以绝境、芳华、湘恋、期待、花放六个篇章结构起29岁即英勇牺牲的杨开慧波澜壮阔的生命乐章。剧作精心勾勒了少女杨开慧接受中国革命洗礼,追求真理踏上革命道路,一步步成长为坚定的共产主义战士的心路历程。主创团队将现实主义与革命浪漫主义手法融为一体,展示出了现代意识、时代精神和剧作家的创作才华。

其中“绝境”一章由狱中杨开慧与敌人做殊死斗争开篇,或白描,或工笔,或泼墨写意,叙事十分灵动。杨开慧敏锐识破了国民党反动派何键之流伪造的毛润之来信,坚决抵制诱降花招,当面戳穿了敌人妄图拆散革命夫妻的阴谋诡计并深情表白:“革命路上共患难,润之嘱托我心中铭”“燕雀休谈鸿鹄志,鼹鼠哪知盼光明?”她智勇双全,以大无畏的气势震慑了敌人。杨开慧宁可舍弃三个年幼的儿子慷慨赴死也要拒签“与毛润之脱离关系声明书”,突显了革命者坚定的理想信念。这一章咏叹湖湘女杰献身中国劳苦大众求解放的伟大革命事业,既表现了人物的柔情似水、情真意切,又讴歌了中共党员严守党的纪律、捍卫革命者尊严的凛然大义,颂扬她“砍头不要紧,只要主义真”的舍情取义的大爱。

杨开慧出身湖南板仓书香门第,是毛泽东恩师杨昌济之女。年幼时受家中浓厚的人文氛围濡染,使她有着男儿一样的家国情怀,思维开阔、精神独立、敢作敢为。父亲留学归来带动了一批湖南青年学子为挽救国家和民族的命运积极寻找出路,他们组织新民学会,进京声讨张敬尧,积极推动青年学子赴法勤工俭学,毛润之一直走在最前列。这一切深深吸引着她在心底暗暗仰慕润之哥哥,直到情窦初开终成眷属,更是情深意笃地追随毛润之投奔革命。

该剧“芳华”“湘恋”两个篇章泼墨塑造了14岁豆蔻年华和19岁已亭亭玉立的两个年龄段的杨开慧形象,立体勾勒出年幼少女逐渐成长、成熟的青春步履。“芳华”篇剧情发生袁世凯接受丧权辱国的“二十一条”事件,杨开慧吟咏“国家兴亡匹夫有责”表明心志,借湘剧《文天祥》鼓动同学们走出校园,启蒙民众。她激愤地唱出“山河破碎风飘絮,身世浮沉雨打萍”“人生自古谁无死?留取丹心照汗青”宣泄国破家亡的痛心,表达了花季少女胸怀报效国家的宏大志向。创作者旁征博引中华民族仁人志士的豪言壮举,梳理数千年文明古国一脉相承的人文精神,为人物毅然走上革命道路的成长过程予以层层铺垫。剧作表现杨开慧身陷囹圄却意志坚如磐石,符合人物性格逻辑,生活真实与艺术真实浑然一体。

韩再芬在这部导演处女作中统领全剧舞台节奏和整体艺术风格,在严谨的现实主义叙事中为剧作涂抹了绚丽的革命浪漫主义色彩。作品的二度呈现将写实与虚构、现实与闪回、抒情与叙事、写意与工笔、情境与情怀有机融合,编、导、演、音乐、唱腔、灯光、服化和舞美设计等仪态万千,以独特的艺术创造力深化了该剧的人文内涵和艺术魅力。尤其序幕“咏蝶”和尾声“花放”两个篇章,着力渲染了革命浪漫主义色彩,借助现代舞台科技手段尽情抒发了创作者的满腔深情,在舞台上营造出红霞满天、雪花飞舞、红梅绽放、蝶占枝头的诗化意境。“我失骄杨君失柳,杨柳轻飏直上重霄九”“寂寞嫦娥舒广袖,万里长空且为忠魂舞。”主创团队借毛泽东诗词《蝶恋花·答李淑一》,拓展编织出烂漫的戏剧意境,抒发了对革命先驱的无比崇敬与无限景仰之情。

该剧舞台美术设计韩生的灵感智慧也值得一提。舞台上垒出的三层平台上分别立着大、中、小不等的方框,狱中杨开慧翻看照片沉浸其中,这些象征性的镜框不断推拉摇移,借鉴影视艺术镜头语言和语汇,开拓强化了舞台艺术的表现力。相较于惯见的台阶、转台或升降台,镜框的创意令人惊喜。随着剧情的展开,三个年龄段的杨开慧出入其间翩翩起舞,构筑起一幅幅赏心悦目的流动画面。此时形式与内容完美融合,不仅将观众带入特定的戏剧情境中,更带入了诗情画意、美不胜收的美学意境之中。剧中,杨开慧由三个演员共同完成。其中“芳华”篇章由江李汇扮演,“湘恋”篇章由陈邦靓扮演,两位演员与狱中杨开慧“穿越时空”聚散离合,在三层台阶间自由跃动。她们的表演尽可能调动起肢体语言的表意功能,以舞蹈韵律的融入揭示人物的情感、情绪和意志,展示人物的命运浮沉,规避了戏曲现代戏常被诟病的“话剧加唱”,提升了写实叙事的审美境界,体现了主创团队向戏曲本体回归、向民族美学掘进的文化自信和文化自觉。

韩再芬黄梅戏表演的四功五法功底扎实、积累厚实,且广泛涉猎话剧、影视剧,塑造角色时话剧台词功力、舞蹈语汇、肢体语言的加持有力拓展了剧种的艺术表现力和审美感染力。剧中杨开慧安慰毛岸英的一句念白,“你爸爸好着呢,润之他——好——着——呢”,最后三个字节奏越来越慢,力度越来越弱,最后一个“呢”字几乎轻声念出。这样的处理,表达出人物的若有所思及其心中夹杂着的对亲人无尽的思念与压抑着的不安。这是“有设计”的念白,是有深度生命体验的戏曲表演,更是具有丰厚生活积累的人物创造,是体验与表现的完美统一。
韩再芬饰演的杨开慧艺术形象迥异于传统黄梅戏中的女人,也不似她在《徽州女人》《徽州往事》中扮演的民间女子那般张扬着地域风情特有的含蓄、内敛、温婉的情调。她饰演的杨开慧始终有着刚毅的神情,一双明亮的眼睛炯炯发亮,投射出意志坚定、藐视敌人的强大内心世界,敞开了革命者坦荡、宽广的胸襟,散发出人物正气凛然、不可侵犯的独特气质。特别是“期待”篇中的核心唱段“静等枪声震天响”,长达70多句,着实考验演员的功力。作曲家陈儒天创作的这段成套唱腔,既保持了剧种腔调和方言韵味,又谨慎吸取了新的时代音调,返本开新中用音乐精心刻画出了女性革命者的形象。整段唱腔在三种情绪变化中逐层推进:回顾短短生命历程的柔情,思念远在井冈山建立革命根据地的亲人毛润之的牵挂与爱意,对革命事业必将成功满怀的必胜信念。这段唱腔韩再芬一气呵成,唱得酣畅淋漓、游刃有余,让观众真切感受到了人物内心的波澜翻滚。当她唱到“人啊!一生再短,都应闪光,为革命,润之为我指方向!为了党,静等枪声震天响”时,一束光柱投下,演员猛地转身背对观众,勇赴刑场。此时此刻演员奔向天幕,象征着角色奔向理想信念,阐释了革命者在生命结束的同时获得了灵魂的自由解放,此等精神境界何其豪迈!(万素 文艺报)

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