南极2.4公里冰下建成巨型望远镜(组图)

http://www.sina.com.cn  2010年12月27日 07:24  新浪科技[ 微博 ]新浪科技 　　
最后的电子光学组件(DOMs)被放入组成冰立方阵列的一个冰洞里，冰立方是全球最大的中微子望远镜，它建在美国阿蒙森·史考特南极站附近的南极冻原下。　　
冰立方阵列由放进很深的冰洞里的众多传感器串组成。靠近冰面的IceTop由两层探测器组成。
图的右下角绘制的巴黎埃菲尔铁塔的图像，是用来与这个探测器进行对比，让它的大小更加一目了然。斯德哥尔摩大学的马提亚斯·丹宁格尔正在协助安装最后的电子光学组件冰立方中微子天文台的建设工作已经完成

　　新浪科技讯 北京时间12月27日消息，在南极洲8000英尺(2.44公里)深的冰层下，巨型望远镜——冰立方中微子望远镜的建设工作已经完成。

　　冰立方中微子天文台是建在南极的一个巨型望远镜，它的目的是发现以光速穿过地球的中微子，这是一种令人难以捉摸的亚原子粒子。尽管科学家利用冰立方收集数据的时间已经长达数年，但是它的建设工作直到上周末才结束。人们对中微子知之甚少，但是认为它们携带着有关我们的星系和神秘黑洞诞生的信息。

　　物理学家认为，中微子在猛烈的宇宙事件中诞生，例如位于宇宙边缘的遥远星系相撞或黑洞的产物。这些神秘的高能粒子能在太空里穿行几十亿光年，而不会被磁场和原子吸收或偏转运行方向。通过它们，科学家能找到一些有关宇宙最基本问题的答案。不过要实现这个目的，首先你要发现中微子。为此，科学家正在利用冰观测中微子撞击(组成水冰分子的)原子的罕见场面。

　　这个巨大的望远镜建在南极深达8000英尺(2.44公里)的冰原下。整个项目耗资2.79亿美元，美国国家科学基金会为其提供了2.42亿美元资助。建设工作的最后阶段是为5160个光学传感器钻86个孔，现在这些传感器已经安装完毕，成为主探测器的组成部分。中微子与原子相撞产生的粒子名叫μ介子，生成的蓝色光束被称作“切伦科夫辐射”。由于南极冰的透明度极高，冰立方的光学传感器能发现这种蓝光。

人们准备安装最后的电子光学组件，它上面有全队所有成员的签名。这是一束“切伦科夫光束”穿过冰立方望远镜的艺术概念图　　冰立方将会把南极μ介子及中微子探测器列阵（黄色圆柱体）团团围住，后者是一个更小的中微子探测器。彩色斑点显示的是通过冰立方阵列的中微子的路径，这是由电子光学组件发现的。　　美国阿蒙森·史考特南极站附近的南极冻原上的冰立方实验室。过去5年科学家一直在建这个望远镜，直到最近它才竣工

　　科学家通过在亚原子相撞后进行的试验，可以追踪到中微子的运行方向、查找到它的起源，看一看它是由黑洞还是由撞击星系产生的。然而，这一过程比探测μ介子更加复杂。因为每个μ介子都是由一个宇宙中微子产生，而位于探测器上方大气里的宇宙射线可以生成一百多万个中微子。为了避免这种干扰，冰立方的传感器直接瞄准下方——经地心指向北极天空，用来探测穿过地球的中微子。

　　由于中微子是目前已知的唯一一种可以畅通无阻地穿过物质的粒子，故冰立方和南极μ介子及中微子探测器列阵(AMANDA)把地球当做过滤器，以便选出中微子与原子相撞产生的μ介子。令人捉摸不透的中微子的性质，还决定了冰立方的建设位置。中微子望远镜的透明度必须很高，以便分布很广的传感器阵列可以发现撞击产生的光，而且这个环境必须足够黑，以防自然光产生干扰。除此以外，它还必须深埋地下，以避免南半球的宇宙射线对其产生干扰。南极冰符合所有这些条件。

　　天文台的大小(边长一公里的立方体冰块)非常重要，因为这可增加中微子与原子相撞的机会，大大提高观测成功率。另外，南极冰是用来观测这种罕见事件的完美选择。全球大部分冰里都含有气泡或其他杂质，这会使观察结果产生误差。而南极冰基本上完全是由水冰组成的巨大冰川，这意味着它包含更多原子，因此会大大增加中微子撞击的机会。圆形探测器被串成串，放入用热水钻开凿出来的冰洞里，钻每个冰洞需要融冰多达20万加仑。每根电缆线上有60个传感器，86串这样的传感器串组成冰立方的主探测器。(孝文)

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揭秘南极冰下巨型望远镜:10年钻1.6公里深(图)

http://www.sina.com.cn  2010年12月30日 07:23  新浪科技[ 微博 ]新浪科技

　　新浪科技讯 北京时间12月30日消息，据美国《连线》杂志报道，经过长达10年的钻洞作业，钻入南极冰层下方超过1英里(约合1.6公里)的深度，位于南极冰层下巨型中微子望远镜“冰立方”建造工作宣告结束。“冰立方”由三维传感器阵列构成，能够探测黑洞、超新星和恒星等宇宙天体释放出的中微子，是迄今最大的粒子探测器。

　　中微子的质量几乎为零，能够在不发生任何反应的情况下穿过物质，例如太阳和地球。它们经常猛烈撞击原子核心，形成“核粒子雨”。这一过程会释放出暗蓝色光痕迹，冰立方的5160个传感器能够对其进行追踪并具有极高的精确性。

　　冰立方项目负责人、美国威斯康星大学麦迪逊分校理论物理学家弗朗西斯·赫尔泽表示：“大约有一百万分之一的中微子闯入质子。我们正对这种核反应释放的能量和方向进行测量，用以绘制出一幅基于中微子的太空地图。”据赫尔泽介绍，这项中微子探测项目耗资1亿美元，是工程师和物理学家迄今为止尝试过的最富有挑战性的工作之一。他说：“任何人都无法保证这一项目一定会取得成功。如果我们提前就知道建造过程的复杂性，我们也许从一开始就选择放弃。”

　　钻机

盘管加热元件增强型热水钻机

　　工程人员为冰立方钻一个洞大约需要两天时间，洞宽1.6英尺(约合48厘米)，深1.5英里(约合2.41公里)。首先，他们利用盘管加热元件融化250英尺(约合76米)厚的积雪。为了钻透硬如岩石的冰层并向下钻1英里多的深度，他们使用了增强型热水钻机。冰冷的融水会流向地面，重新加热后再流回钻机。

　　冰管

 传感器　　技术人员将一串60个光敏模块下降到1.5英里深的冰管底部的水中。冻结之后，光敏模块将永远留在那里。传感器负责将数据传回地面处理中心。

         传感器  5160个数字光学模块中的最后一个一套电子元件

　　5160个数字光学模块中的最后一个，正等待被放入南极冰层的钻洞中。每一个数字光学模块的下半部分装有一个光电倍增管，用于探测切伦科夫辐射发出的蓝光。蓝光由粒子以超光速穿过物质所致，同样的效应导致核反应堆堆芯中的水发出蓝光。一套电子元件负责将模拟信号转换成高通量数字信号，玻璃罩则负责保护模块免遭冰下的巨大压力破坏。

　　计算能力

座落于86个冰管上方的一个计算中心冰管内装有大量传感器

　　座落于86个冰管上方的一个计算中心，冰管内装有大量传感器，负责处理所有冰立方数据。冰立方每天可探测到220次中微子活动，计算机必须过滤掉1亿个欺骗性信号，才能观察到这些活动。这些多余的活动由高能粒子(并未中微子)轰击地球大气层所致。每次符合要求的中微子活动的能量和方向都会被记录下来，而后通过卫星传给威斯康星大学麦迪逊分校。赫尔泽表示，最理想的数据往往来自于中微子穿过地球并从下方撞向冰层。

　　上世纪70年代至90年代初，物理学家认为在深海建造一个类似冰立方这样的中微子探测器所面临的挑战更小一些。据赫尔泽透露，经过几次关键性验证——包括AMANDA(南极μ介子及中微子探测器列阵)实验——他的同事放弃了选择深海的想法。冰立方就是在AMANDA实验基础上研制的。

　　他说：“只有在深海建造类似的探测器之后，我们才能进行比较。目前，相关努力已在进行之中，地点就选在地中海。有一点我希望说明一下，我们能够继续自己的实验。一旦部署完毕，探测器上方的计算中心便将开始数据处理工作。”

　　天空图

　天空图在冰立方没有完成建造前，科学家也能收集有关中微子的数据。这幅天空图历时两年左右绘制，涵盖了40组传感器记录下的中微子点源。赫尔泽表示，如果能够像预想中的一样正常运转下去，冰立方可以服役20年左右，探测中微子。“一旦将这些传感器放入冰中，你就再也没有触碰它们的可能。到目前为止，情况相当不错。我们只损失了很少的传感器。”(孝文) 

极地科学家揭秘南极冰芯：记录百万年气候数据

http://www.sina.com.cn  2010年12月09日  第一财经日报

　　在极地科学家的眼中，晶莹的南极之“芯”就像一本无字天书，蕴藏着地球气候变化的秘密。

　　陈琳

　　憨态可掬的企鹅、尖喙利爪的贼鸥、膘肥体壮的海豹，在上海科技馆内举行的极地探索科普展上，栩栩如生的南极动物标本，激起了不少观众对南极的兴趣。

　　生物种类多样性、物种数量是南极气候变化的参照指标之一。不过，在极地科学家们看来，真正能揭开南极乃至整个地球气候的密码，还要数被称为南极之“芯”的冰芯。

　　中国极地研究中心副主任、中国南极昆仑站首任站长、有“冰盖王子”美称的李院生说：“每次雪龙号从南极科考满载而归，最引人注目的成果，是在冰川高处钻取的冰芯。”在极地科学家的眼中，这些晶莹的南极之“芯”就像一本无字天书，蕴藏着地球气候变化的秘密，通过它们，科学家能与百万年前的气候变化来一次跨时空的无声对话。

　　南极之“芯”得来不易

　　2003年1月，欧洲南极冰芯钻探项目(EPICA)小组的科学家在南极一个叫协和丘冰层的表层以下3200米处，钻取到了离海床只有100米的冰芯。据专家考证，这根冰芯在75万年前形成，成为当时人类所获取的历史最悠久的冰芯。

　　2006年1月24日，日本第47次南极观测队在“富士圆顶”观测点成功钻取冰盖以下3028.5米的冰芯，专家认为，这块冰芯样本中包含了100万年前的气候数据，是人类前在南极钻取的最古老的冰芯。

　　“我最大的梦想是在南极的冰穹A地区钻到3000米以上的古老深冰芯。”李院生心中也怀揣一个挥之不去的冰芯梦，冰穹A的冰厚超过3000米，被公认为是最有可能钻取到超过100万年厚冰心的地方。

　　在中国第二十六次南极考察中， 终于钻出一根来自冰穹A冰川下133米深的冰芯。据专家估计，这段冰芯中包含了5000~6000年以来的地球的气候密码。李院生他们兴奋地捡起了冰芯带出的冰渣子，化成水煮沸后，泡茶喝下，并戏称为“把5000年历史都喝进肚子里”。

　　与百万年前的气候“对话”

　　“冰芯的形成过程，就是它记录气候变化的过程。”李院生解释说，所有在大气中循环的物质都会随大气循环流动抵达冰川上空，然后沉降在冰雪表面，最终形成冰芯。

　　“也就是说，冰芯分析的每一个参数，至少包含着地球气候系统某一个参数变化过程的信息。”比如，冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标，而净积累速率是降水量大小的指标。再看冰芯中的气泡，气泡中的气体成分及其含量，是揭示大气成分的演化历史的钥匙。而冰芯的另一个指标——宇宙成因的同位素，则为科学家们的论证提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的最有力的证据。

　　在人类有能力钻取南极冰芯之前，科学家往往通过历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积，以及在黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩中可提取物质来分析气候环境变化信息。

　　“由于南极常年处于极低气温环境，少有人类活动的干扰。因此，这里的冰芯保真性非常良好，分辨率高，记录时间可长达几十万年，同时，它所蕴含的信息量也比其他自然物质要大，因此受到地球科学家们的青睐。”英国《新科学家》(New Scientist)杂志在今年3月3日发布报道，日本科学家研究发现，南极的冰芯中甚至还包含了1000 年前爆炸的超新星遗迹，在天文界引起了轰动。

　　李院生指出，人类对南极的认知，和对宇宙与深海的认知一样，“尽管已经过多年的考察，真正的了解还是非常肤浅的。而冰芯就是揭开谜题的一把钥匙。” 中国经过20多年的科考努力，最终在冰盖最高点——冰穹A上建立了考察站，要进行一系列的考察工作，其中最重要的就是深冰芯钻探的问题。“要与百万年前的气候进行跨时空的对话，中国极地科考工作者们任重而道远。”