最大伽馬射線計劃全球“相親”

CTA將是現有全球最大的伽馬射線捕獲設備，它將在南北半球各設立一座天文臺。

　　一個頗具雄心壯志的項目計劃建造兩座相同的天文臺，以探測來自深空的伽馬射線——高能光子。該項目已進入重要階段，27國成員必須從9個可行地點中選出兩個，建造切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）。各國爭相為這些耗資2億歐元的設備提供“住處”，他們必須在本月底上交有關該國提供位置的相關情況報告。

　　據悉，CTA聯盟將在12月底作出最后的選擇。“現在所有事情都不確定，任何人都可能贏。”阿根廷探測技術和天體粒子學會會長Alberto Etchegoyen說。上個月，他在CTA會議期間呈交了該國的擬建地點。

　　CTA將是現有的全球最大的伽馬射線捕獲設備，其兩個天文臺的相關能力將是現有設備的10倍，它力圖回答2個重要問題：宇宙射線從哪里來，以及難以捉摸的暗物質是什么。

　　“CTA還將向我們展示未知的未知事件，即我們之前從未見過的新現象。”美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的天體物理學家Rene Ong說。Ong也是CTA聯盟的1000名成員之一。6個國家——美國、墨西哥和西班牙（競標北部站點），阿根廷、智利和納米比亞（競標南部站點）——將與若干提供不止一個地點的國家展開激烈角逐。

　　伽馬射線是電磁輻射最具能量的形式，來自超新星爆炸、中子星和黑洞等劇烈變化的宇宙環境。在地面探測伽馬射線十分困難，主要因為它們會與上層大氣中的空氣粒子相互碰撞。不過這些碰撞也能觸發次級粒子級聯，其中一些粒子的速度開始超過光在空氣中的傳播速度，并且當它們減速時，會發射出名為切倫科夫輻射的藍色閃光。

　　切倫科夫望遠鏡最初的原型包括一個垃圾桶、一個探照燈反射鏡和一個光子探測器，于上世紀50年代在英國組裝建成。目前，世界上最大的切倫科夫望遠鏡是位于納米比亞的高能立體望遠鏡系統（HESS），它有5面反射鏡，最大的直徑為28米。

　　因為它們無法遠望深空，切倫科夫望遠鏡不需要高精度的反射鏡或標準天文望遠鏡所需的山頂位置。相反，這些望遠鏡需要大面積的匯集區，以及靈敏的電子學設備，以便從背景噪聲中捕捉微弱的切倫科夫閃光。從這些信號中，天文學家能夠推斷出每個進入的伽馬射線的能量及其來源的粗略位置。

　　CTA將是首個全球規模的設備，能夠觀察整個天空，并能覆蓋前所未有的伽馬射線能量范圍，從20千兆電子伏到超過100萬億電子伏，因此它也將有望捕捉到之前未曾發現的粒子。要做到這些需要約120臺望遠鏡：北部望遠鏡陣列需要20臺覆蓋超過1平方公里的區域，南部陣列則需要100臺望遠鏡分布于超過10平方公里的范圍內。

　　“這是一個終極實驗，從沒有人打算建造一個比其更大的此類望遠鏡陣列。”美國切倫科夫望遠鏡先驅、亞利桑那州惠普爾天文臺的Trevor Weekes說。惠普爾天文臺VERITAS望遠鏡發言人Jamie Holder表示：“其科學回報是100%有保證的。迄今為止，只有約10%的天空是以合理敏感性進行觀測的。”

　　選址的主要標準是，當地需要有大量的無云夜晚、低濕度以及低風速。研究人員在所有地點設置了氣象儀器，至少觀測了1年時間，并研究當地的氣候報告、衛星數據和全球氣候模型。CTA聯盟還將考慮工程造價、通訊系統和該國愿意為基礎設施和設備出資多少。一旦確定建造地點，有關各國出資水平的談判將開始。

　　“我們面臨著‘雞和蛋哪個先有’的情況，因為出資機構在選好地質之前，不愿承諾任何數量的資助，而聯盟則希望知道各國將貢獻多少，以便能作出更好的決定。”墨西哥國立自治大學物理學家William Lee說。

　　西班牙提議特納利夫島上的一個地點，但未提及有關資金事宜。“經濟部支持我們，但是還未承諾提供任何資金。”加那利群島天體物理學會的Ramón García López說。盡管當地的CTA科學家提議智利的一個候選地點，但該國并不是CTA聯盟的成員。

　　不過也有一些正面信號。Etchegoyen提到，阿根廷有“決心在基礎設施和科學儀器方面支付1200萬歐元，一旦我們入選，我們的工程也將得到巴西的支持”。CTA被包含在歐盟科學基礎設施路線圖中，是7個最優先考慮的粒子物理學實驗之一。

　　美國國家科學院在其2010年的10年天文調查中表示支持該項目。今年4月，德國交付了首個中型望遠鏡原型，并保證提供5000萬歐元用于項目建設。

　　一旦地址報告在月底全部呈交，一個外部委員會將對這些資料進行分析。最終選址結果將由CTA財政董事會在12月公布，該董事會代表了“來自項目主要資助國家的大約15個基金機構”。CTA聯合發言人Manel Martínez說。“我們到2014年底將能批準動工，對此我十分樂觀。”CTA發言人Werner Hofmann說，到2017年，CTA將交付首個科學成果，到2019年底將全面運行。

　　伽馬射線是原子核能級躍遷蛻變時釋放出的射線，是波長短于0.2埃的電磁波。伽馬射線有很強的穿透力，工業中可用來探傷或流水線的自動控制。另外它對細胞有殺傷力，醫療上可以用來治療腫瘤。

　　由于TeV級能量的伽馬光子數目稀少，地面上的切倫科夫望遠鏡可以在此波段上彌補空間觀測不足。伽馬射線不能穿透地球大氣，能量最高的那部分光子在與大氣相互作用并被吸收時，光子的能量可以傳輸給大氣粒子（如原子核），導致原子核碎裂，并引發空氣簇射。當初始的原子核接收到足夠高的能量，速度接近光速時，就會產生窄角切倫科夫輻射。切倫科夫望遠鏡接收的正是高能輻射導致的次級光子，它所獲得的圖像反映了簇射產生的切倫科夫輻射的方向、強度在望遠鏡接收方向上的投影，由此可以推測出引發簇射的伽馬光子能量與來源。