粒子天体物理研究正从“装置驱动”转向“协同驱动”

粒子天体物理研究正从“装置驱动”转向“协同驱动”

9月29日至30日，以“科学装置联合攻关粒子天体物理重大科学问题”为主题的香山科学会议在北京香山饭店召开。

会议现场，坐满了来自粒子天体物理领域的学者，其中不少是高海拔宇宙线观测站（LHAASO，以下简称“拉索”）、中国天眼（FAST）、“天关”卫星（EP）等国际前沿探测装置的首席科学家或核心骨干。他们坐在一起，探讨哪些科学谜题值得研究，以及如何强强联合解开这些谜题。

“我们认为，未来粒子天体物理研究要从‘装置驱动’转向‘协同驱动’。”会议召集人、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻院士说。

“强强联合”迎来黄金期

当前，国际粒子天体物理正加速向多信使、多波段、天地协同、体系化攻关方向演进。宇宙线、伽马射线、X射线等“宇宙信使”，为人类研究超新星爆发、黑洞喷流、中子星并合、伽马暴等极端宇宙过程提供了全新窗口，也带来粒子加速、暗物质、基本物理规律等前沿问题。

“我国已形成国际领先或先进的大科学装置集群。”曹臻说。

在超高能宇宙线和伽马射线方面，“拉索”使我国达到国际领先水平，已发现40多个银河系超高能伽马源，最高光子能量达3.7拍电子伏特（PeV，即千万亿电子伏），为研究拍电子伏宇宙线起源提供了最重要候选天体。大型大气切伦科夫望远镜（LACT）已开始建设32台成像大气切伦科夫望远镜，计划2028年底完成，届时将与“拉索”构成全球综合能力最强的立体跟踪观测网络。

在空间天文方面，“天关”卫星专注时域高能天体物理，已积累海量X射线暂现源数据；极目望远镜（GECAM）在伽马暴测量方面取得重要进展；“悟空号”暗物质卫星（DAMPE）获得高精度宇宙线核素能谱并发现统一“鼓包”结构；阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）以亚百分级精度完成多元素宇宙线测量。

在光学时域天文方面，墨子巡天望远镜是北半球光学时域巡天能力最强设备之一，清华大学-马化腾巡天望远镜（TMTS）在超新星与致密双星观测中成果显著。

在射电天文方面，中国天眼在脉冲星搜索、快速射电暴探测和中性氢巡天等方面取得重要进展；银河画卷巡天计划正构建银河系毫米波分子气体三维天图。未来，高能宇宙辐射探测设施（HERD）计划2029年部署于中国空间站，将宇宙线直接测量推向PeV能区。

“在粒子天体物理领域，我国天文巡天手段已经走到世界前列，各巡天装置都是一流的，如果能真正有效地把这些装置团结联合起来，充分发挥各装置的优点，集中为一个科学目标去做联合观测，我们将会产出更多国际领先的重大科学成果。”曹臻说。

与会专家认为，这些装置已具备从“单打独斗”转向“体系化、建制化”协同攻关的基础，当前正处于开展联合攻关的黄金时期，必须抓住窗口期，推动“科学牵引”的跨装置协同观测与数据融合。

装置协同难题待解

装置集群已经成形，协同却远未到位。

与会专家归纳出四方面突出问题：各波段天地装置之间联合观测能力有待加强，数据融合机制尚不健全；观测与理论衔接不够，多波段认证多依靠空间位置成协，辐射机制研究缺乏完整证据链；跨装置、跨单位的稳定攻关团队尚未形成，观测机时保障、专业数据分析队伍和数据共享机制仍不完善；国际竞争日趋激烈，我国在部分前沿方向仍处于跟跑或并跑阶段。

机时竞争是最现实的梗阻。曹臻在会议期间直言，各装置分属不同研究所，有明确的科学目标，完成自身科学目标已非常难。

“比方说，X射线望远镜好不容易发到天上，还有若干科学目标要观测，突然让它停下来，观测其他目标，难免会遇到一个问题‘我为什么要为你而改变我的计划’。”曹臻说。

在他看来，要让“强强联合”真正实现，就必须“把表面上看是‘我在侵占你的观测时间’这件事，变成‘我们两个共同的事’”，让跨装置观测同时服务于双方的科学目标。

他也坦言：“国内目前并没有一个真正能把这些大科学装置串起来的成功样本，我们希望通过具体的项目合作，给出一个可复制的范例。”

针对这些难题，会议建议，组建联合协调工作组，构建“快速触发—多波段后随—数据融合”三级协同链条，落地“空间触发—地面跟踪—多波段证认”闭环流程，保障宇宙爆发事件在数分钟至数天内完成多装置联动响应。

以科学目标牵引合作

经过充分研讨，会议形成明确共识：宇宙线起源是当代天体物理极具挑战性的重大科学问题，多波段、跨装置深度协同观测是揭示高能天体辐射机制、破解粒子加速原理的最优路径。

围绕这一判断，会议从组织、观测、数据、理论、合作与技术六个层面，勾勒出协同攻关的路径。

组织上，会议建议，围绕宇宙线起源等重大科学问题，组建跨装置、跨单位的建制化攻关团队，建立观测机时保障机制和稳定的专业数据分析队伍，推动深度联合观测产生里程碑式重大原创成果。

观测上，会议建议统筹“拉索”“天关”、中国天眼、银河画卷等国际领先装置，围绕伽马源天体认证、辐射机制和粒子加速原理开展深度协同观测，形成多波段、多信使联合研究的战略布局。为此需组建联合协调工作组，构建“快速触发—多波段后随—数据融合”三级协同链条，落地“空间触发—地面跟踪—多波段证认”闭环流程，保障宇宙爆发事件在数分钟至数天内完成多装置联动响应。

数据上，会议建议，联合阿尔法磁谱仪-02、“悟空号”“拉索”，结合在建的空间站高能宇宙辐射探测设施及未来地面装置，在重叠能段开展能标交叉标定，建立跨装置、宽能区统一能标，实现超宽能区各成分能谱精确测量，为解答宇宙线起源、加速和传播问题提供关键观测依据。

理论上，会议判断，银河系宇宙线起源传统理论正迎来变革契机。现有观测数据颠覆了部分传统认知，黑洞驱动的吸积—喷流系统成为PeV能量宇宙线源的最佳候选天体。“拉索”最新发现显示，微类星体可将质子加速至1PeV乃至10PeV以上，可能主导PeV能区宇宙线来源。会议建议，组织国内理论团队开展有组织、系统的理论研究，建立银河系宇宙线起源新理论框架，探索极端粒子加速和传播机制，形成有中国特色的理论学派。

合作上，会议建议，在自主攻关基础上，积极参与和主导国际大科学计划，深化多边合作，提升我国在国际粒子天体物理领域的规则制定权和科学引领力。

技术上，会议高度关注AI赋能，建议将其作为跨装置协同攻关的重要方向，推动AI在装置运行、数据处理、多波段数据融合、暂现源快速触发和理论建模中的应用，建立共享算法与数据平台，提升联合观测和科学产出的整体效率。

与会学者普遍认为，以此次会议为起点，我国粒子天体物理有望在未来五至十年内，在若干重大科学问题上保持领先优势。

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