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基础设施问题拖南极大型物理项目“后腿”

来源：中国科学报    时间：2023-06-26 17:38:38

阿蒙森-斯科特南极站正陷入积雪中，需要在新科学项目建立之前将其架高。图片来源：RAFFAELA BUSSE CC BY-NC-ND

几十年来，南极一直是物理学家的圣地。他们凝视着这里清澈的天空，研究大爆炸的余辉——宇宙微波背景（CMB），并利用南极冰层发现了来自其他星系的几乎无法探测到的中微子。然而如今，由于基础设施问题和有限的电力供应，两个大型新项目计划可能会推迟数年。


【资料图】

据《科学》报道，美国国家科学基金会（NSF）近日向研究人员发布了一封信，表示该机构必须处理多个南极站点积压的维护工作。接下来的几年里，NSF将只支持已经批准进行的南极实验。信中说:“为南极站新项目寻求支持的提议者应咨询项目官员，讨论备选地点。”

这句话让物理学家们想知道，NSF何时会推进两个必须在南极建设的重大项目——部署新的CMB望远镜和升级“冰立方”中微子探测器。这两个项目被称为CMB-S4和IceCube-Gen2，目标是在5年内开始建设。美国爱荷华大学的理论物理学家Mary Hall Reno说：“也许在接下来的几周里，我们会更清楚地了解这封信的实际含义。”

NSF极地项目办公室代理主任James Ulvestad表示，这两个项目还处于研发阶段，更不用说获得批准或拨款了。他还补充说，按照目前的设想，这些项目可能需要提供比南极站更多的电力。

CMB-S4的目标是对宇宙大爆炸残余辐射进行决定性的地面研究，这些辐射为宇宙的起源和结构提供了丰富的线索。NSF和美国能源部耗资8.4亿美元合作，CMB-S4将在智利安装两台6米微波望远镜，在南极安装一台5米和9台0.5米望远镜。

美国芝加哥大学天体物理学家兼团队成员John Carlstrom表示，CMB-S4团队准备在获得批准后尽快开始工作，希望在2028年完成。但他说：“如果本十年末变成下一个十年末，我们就有麻烦了。”

IceCube-Gen2将增加世界上最大的中微子探测器的尺寸，该探测器通过嵌入冰层深处的光学传感器发现来自太空的超高能量中微子。5160个探测器将观察中微子与原子核碰撞时产生的带电粒子辐射的光学冲击波。去年，冰立方的物理学家报告了79个中微子来自附近一个名为NGC 1068的星系的中心，这是第一个确定的银河系外中微子的稳定来源。

Gen2项目将再部署9600个光学传感器，将探测器的体积从1立方公里增加到8立方公里，使其能够探测到更多的中微子源，并开创中微子天文学时代。研究人员希望在2028年开始部署，并在7到8年内完成任务。Reno指出，如果这个项目推迟几年，合作者可能会寻找其他项目。

但Ulvestad说，在NSF修复基础设施之前，这两个项目都无法启动。7400平方米的阿蒙森-斯科特南极站、冰立方的支撑建筑和目前的CMB望远镜都陷入了积雪中，需要被抬高。有48年历史、被雪覆盖的昆塞特小屋用来储存燃料、物资和车辆，也需要进行加固。

美国国会今年已经为这项工作拨款6000万美元，NSF计划在未来两年投入类似的资金。但Ulvestad说，将材料和人员运送到南极的后勤工作意味着那里的工作要到2026年底才能开始。这使得这两个科学项目的建设最早要到2028年或2029年。

NSF负责研究设施的首席官员Linnea Avallone说，在任何一个项目可以提交给NSF的管理机构国家科学委员会批准之前，必须经过一个通常持续3到6年的设计阶段。因此，这项计划可能要到十年末才能获得批准，极地研究工作也将在几年后才开始。

电力问题是尚未解决的问题之一。CMB-S4需要170千瓦电力，比目前的CMB望远镜多20%。最终，IceCube- gen2将需要190千瓦电力，是冰立方的2.5倍。但南极的电力有限，仅由一台发电量在600至700千瓦的柴油发电机提供。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家和冰立方团队成员Albrecht Karle说，原则上，NSF可以安装更多发电机，并将更多燃料运到极点。自2006年以来，大多数燃料是从麦克默多站出发，用拖拉机在陆地上拖走1600公里，即所谓的“南极穿越”。

但Ulvestad说，NSF每个赛季进行三次穿越，出于安全考虑，不太可能增加次数。Ulvestad说，提高南极的电网容量还需要一个单独的项目，甚至在2040年之前都无法实现。

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