深海筑镜 叩问极端宇宙的科学探险

“海铃”中微子望远镜概念图

串列样机集成至布放器并开展入水布放作业

上海交通大学李政道研究所长聘学者、“海铃计划”首席科学家 徐东莲

话题主持：本报记者 马亚宁

仰望宇宙，人类大多依靠光获取信息，而被称为“幽灵粒子”的中微子，为我们打开了窥探极端宇宙的全新窗口，屡获诺贝尔奖垂青。在追寻中微子的科学征程中，有一颗备受关注的“新星”：中国的“海铃计划”将巨型望远镜安放在数千米南海深海，捕捉来自深空的中微子信号。深海连向深空，这项大科学装置不仅求索宇宙谜题，其深海攻关技术也将反哺海洋观测事业。

四百年来，人类主要依靠光来观测宇宙。但在黑洞、磁星、伽马暴这些宇宙最为狂暴的极端环境之中，光有时会被周围致密的物质阻挡，难以直接传递内部的信息。中微子，这个被大家叫作“幽灵粒子”的微观粒子，便成了我们窥探这些光抵达不了区域的全新信使。我国正在推进的“海铃计划”，打算把巨型中微子望远镜安放在数千米的南海海底，探索高能宇宙中尚未解开的谜题。整套庞大的阵列沉睡在南海几千米的海底，绝大多数普通人一辈子都无法亲眼见到它。它所追寻的信号，可能来自遥远星系中的剧烈天体活动。深海与深空由此相连，而推动这项探索的，是人类对未知世界始终不变的好奇。

从理论提出到被实验探测的历程

长久以来，人类借助望远镜观测星空，数百年积累下来，形成了对宇宙大爆炸、恒星演化的种种认知。可这些认知，很大程度上建立在对各类电磁辐射的观测之上。

宇宙里存在一类被称作“极端宇宙”的奇特场景：黑洞撕扯吞噬恒星，周边尘埃物质高速旋转吸积；恒星死亡后发生核心坍缩，温度飙升到千亿摄氏度；磁星拥有高达一千亿特斯拉的磁场，磁场发生重排，爆发出剧烈耀斑；还有被叫作“宇宙烟花”的伽马暴，短短数十秒释放的能量，等同于太阳一百亿年辐射的总和。

在这样极端的环境里，物质被挤压得极度致密，高能光子很难突围。1987年的超新星爆发就是典型实例，当时全球三台中微子探测器捕捉到的中微子信号，比可见光早了约数小时。这就告诉我们，当光被困住的时候，中微子可以抢先逃出来，穿越茫茫宇宙来到地球。

中微子是构成物质世界最基础的粒子之一，属于轻子家族，一共有三种。它是宇宙中丰度第二高的粒子，仅次于光子。宇宙大爆炸之后仅仅一秒，中微子就完成解耦，开始在宇宙中自由穿行；而光子要等到大爆炸之后38万年，才得以自由传播。宇宙存在大爆炸遗留的中微子背景（CNB），如果可以探测到它，我们就能够回望到大爆炸后一秒的宇宙，不过到现在，CNB还没有被探测到，这是一个极具挑战、有望斩获诺奖的研究课题。

我们其实就浸泡在中微子的海洋里。太阳核聚变源源不断产生中微子，每一秒，就有几百亿个太阳中微子穿过我们指甲盖大小的皮肤。中微子不带电，主要通过弱相互作用与物质发生反应，反应概率极低，因此拥有极强的穿透能力。它还有一个奇妙特性叫中微子振荡，三种不同类型的中微子在飞行途中会互相转化，这也是开展中微子天文学的重要基础。

中微子从被理论提出到被实验探测，走过了数十年的历程：1930年被理论预言，1956年才在核反应堆实验中被真正发现。迄今为止，中微子相关研究已多次获得诺贝尔物理学奖，2026年诺贝尔物理学奖便授予了冰立方中微子天文台的重要贡献者弗朗西斯·哈尔岑教授。有意思的是，中微子领域很多重大发现，都是实验结果颠覆了原先的理论预期。

从海洋到冰川，寻找大自然现成介质

宇宙中微子来源十分丰富：有大爆炸留下的遗迹中微子，有太阳中微子，也有核反应堆、宇宙射线轰击大气产生的中微子。而黑洞喷流、伽马暴这类极端宇宙现象，可以产生高能天体中微子。带电的宇宙射线会被星际磁场偏转，丢失原本的来向；高能光子传播距离有限。唯独中微子穿透能力强且不带电，几乎不受星际物质干扰，可以直线奔赴地球，保留出发时的方向。

但难题随之而来：来自河外的高能中微子抵达地球的数量少得可怜。按照理论估算，想要一年捕获大约十个这类中微子，探测器靶物质要达到立方公里的体量。人工制备十亿吨级别的探测介质并不现实，科学家只能寻找大自然现成的介质，也就是冰川，或是深海海水。

苏联理论物理学家马尔可夫最早提出中微子望远镜的构想：利用深海或者大湖的天然水体，布设大量可以探测单光子的探测器阵列，捕捉切伦科夫辐射，反推中微子的相关参数。当中微子极其偶然地和介质内的原子核发生反应时，会生成缪子、电子这类次级带电粒子。当这些带电粒子在介质中的运动速度超过光在该介质中的传播速度时，就会产生微弱的幽蓝色切伦科夫光，原理和超音速飞机突破音障相类似。探测器记录下到达各个探测单元的时间和光子数量，借助计算机重建，就能推断中微子的方向、能量和种类。

人类最早尝试深海中微子望远镜是在1976年，计划在夏威夷4.8公里深海布设探测阵列。受限于当时的深海工程技术，第一串探测器下水仅仅数小时就发生漏水，整个项目宣告终止。1988年，冰立方项目负责人弗朗西斯·哈尔岑教授提出新思路，改用南极冰川作为探测介质。

冰立方埋在南极极点冰下1450—2450米的透明冰层里，1立方公里体积，5160个光学传感器，用来捕捉几乎不跟物质发生作用的中微子（幽灵粒子），开辟了中微子天文学新窗口，2013年冰立方首次探测到来自宇宙深空的高能中微子。今年，弗朗西斯·哈尔岑教授独获2026年诺贝尔物理学奖，以表彰他对冰立方中微子天文台及发现天体起源的高能中微子作出的决定性贡献。即便收获诺奖，冰立方依旧留有巨大谜题：目前探测到的大部分高能中微子，找不到能够匹配的天体源；科学家还无法确凿证实黑洞潮汐撕裂恒星等过程就是高能中微子的起源。

在南海深海打造下一代中微子望远镜

基于全球已有研究经验，我国提出“海铃计划”，目标是在南海建设10立方公里级的深海中微子望远镜。

选址定在西沙附近的海铃盆地，这里拥有3.5公里深的平整海底大平原。科考实测发现，3公里以深海域，海流速度小于10厘米/秒，常年流场平缓，可以避免上千根潜标发生缠绕损坏。我们自主研发TREX设备布放到深海，原位测量海水光学性质，证实这片海域海水的单光子透光性能满足探测需求。

在3500米深海建设中微子望远镜，面临高水压、复杂海况、远距离信号传输和高精度定位等多重技术挑战。海铃团队围绕光电探测、深海装备集成、精密授时及数据采集等关键环节开展自主研发深海中微子探测潜标柔性布放系统，逐步突破深海中微子望远镜建设中的核心技术难题，为未来大规模探测阵列的部署和长期稳定运行奠定基础。

“海铃计划”阵列，计划采用彭罗斯非等距密铺构型，布设近千根潜标，锚定在海床之上，向上延伸七八百米，串与串间距70—110米。核心探测单元是直径43厘米的光电混合玻璃球舱，舱内布线多达一百五十余条，集成各类探测器件与FPGA芯片。通过在FPGA芯片上部署人工智能算法，探索深海端侧智能信号处理技术。以期在深海实时区分生物发光、海水天然放射性背景、仪器噪声及中微子相关的切伦科夫光信号。

深海探测绕不开生物发光的干扰。冰里面不存在生物发光，仅有少量冰晶碎裂带来的微弱荧光。海水中既有水母、鱿鱼这类大型海洋生物，也有细胞级的微生物发光。好在我们选址的海铃盆地属于深海生物沙漠，大型海洋生物稀少。只要生物发光的亮度不至于让探测器无法开机，就可以依靠算法把这类信号识别区分开。海水内部存在放射性本底，我们通过探测器的本地符合逻辑来过滤这类干扰。同时我们还意外发现，海水中天然存在的氯离子，可以开辟低能中微子全新观测窗口。

中微子穿过宇宙、穿过地球，在海水中发生反应，产生次级粒子，激发出切伦科夫光。各个球舱捕捉光子，阵列的声学定位系统实时确定每一个球舱的位置，时钟同步精度达到300皮秒。所有数据汇总到附近岛基的超级计算机，使用大模型做深度处理。未来，一旦识别出高置信度的中微子事例，便可向全球相关天文观测设施发送预警，开展多信使联合观测。

中微子不言，宇宙谜题如何解开？

“海铃计划”项目从2018年笔者回国之后起启动选址和预研，采用边研发、边海试的模式，中间经历过多次海试失败迭代。今年9月，我们在南海约1900米水深处完成了首根全功能探测串列的布放。该探测串列已接入南海海底科学观测网，实现持续供电、在线运行和数据实时回传，并识别出大气缪子候选事例。能探测到缪子，意味着距离捕获中微子更近一步。按照规划，“海铃一期”预计于明年完成10根探测串列及1根刻度潜标的建设与布放。

这是一个开放的国际合作项目，由上海交通大学主导，联合12家科研单位，同时有英国、法国、意大利、日本、泰国、智利等国的机构参与。项目十分鼓励年轻人参与，不少创新成果来自本科生，也接收高中生前来实习，这是属于年轻人的科研事业。做这项研究，我们想要解答一系列深层的宇宙未知：黑洞撕裂恒星的过程会产生多少中微子？银河系之外的超高能宇宙射线到底来自什么样的天体？极端宇宙环境内部遵循什么样的物理规律？未来有没有机会探测到大爆炸的原初中微子背景？

常有人问，耗费大量人力物力，去捕捉看不见摸不着的中微子，它能带来什么现实用处？实际上，基础前沿科学的研究成果，往往不会立即转化为直接面向日常生活的产品。但是“海铃计划”攻关出来的一系列技术，包括深海耐高压光学单元、长寿命深海电子学、水下高精度声学定位、深海端点人工智能等等，同样可以服务海洋科考、深海环境监测等海洋相关事业。海铃不只是一台望向宇宙的望远镜，它同时也是一套深海原位综合观测平台，仰望深空的同时，也在观测我们脚下的海洋。