161、【轉載】人類首次確認37億光年外「幽靈粒子」源頭

161、【轉載】人類首次確認37億光年外「幽靈粒子」源頭

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實力科普：人類首次確認37億光年外「幽靈粒子」源頭

2018年07月22日　　

來源：DeepTech深科技微信公眾號

　　原標題：人類首次確認37億光年外「幽靈粒子」源頭，引力波之後的又一重大天文事件！

如果你伸出你的拇指，每秒都會有 1000 億個中微子通過你的指甲。但自 100 多年前首次被發現以來，中微子一直是一個謎團：科學家對這種粒子的來源十分困惑。它們就像飄散在空間中的「幽靈」，沒有人知道它們為什麼在空間中，也沒有人知道這些「幽靈粒子」是如何產生的。

可中微子本身對於人類探索宇宙來說意義重大，它和引力波一樣，都攜帶了許多重要信息。因此，自引力波之後，人類探索宇宙的下一個重大發現也被認為或許就藏在宇宙中微子中。

1956 年，人類直接觀測到了中微子，而來自太陽系外的高能中微子也被人們與2013 年成功捕獲。但是，人類一直不明白一些宇宙中的高能中微子究竟是哪個天體產生的。直到不久前，科學家首次確認了高能中微子的產生源頭之一 —— 「耀變體」，一種在中心有快速旋轉黑洞的星系。

同時，此次探索的高能中微子也是迄今觀測到的最高能中微子，其能量是太陽中微子能量的 10 億倍，而這些中微子在到達地球之前，已旅行了 37 億光年。研究發表在 7 月 12 日的《科學》雜誌上。

一次意外發現和全球「大接力」

對於天文學家們來說，中微子讓他們「又愛又恨」：因難以檢測臭名昭著，但卻可提供光觀測不可比擬的關鍵優勢：宇宙對高於特定能量的電磁輻射來講幾乎是透明的，換句話說，高能中微子可以毫無阻礙地穿梭整個宇宙。

圖丨加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納和日本物理學家梶田隆章曾因其中微子研究獲得2015諾貝爾物理學獎

而且，由於中微子是一種幾乎沒有質量且不帶電的粒子，它們以光速移動，很少與其他物質發生作用，無論它們走了多遠，其攜帶的最原始的信息一直得到保留。

科學家們通過對這樣的中微子進行研究，可以一直追溯至產生它的銀河系外事件，可能還包括宇宙深處最高能的事件。所以說，捕獲（實際不能真的「捕獲」，只是收集中微子撞到探測器時探測器傳回的數據）並研究這類源自太空深處的中微子，對天文工作來說則至關重要。

而這一次研究的高能中微子，其「地球之旅」的曝光實際上發生在 2017 年 9 月。

圖 | 耀變體將中微子和伽馬射線射向地球（圖源：IceCube / NASA）

當時，位於南極冰層下方的 IceCube 探測器捕捉到了一個來自深空的中微子，它被科學家命名為 IceCube-170922A。與此同時，另一個繞地球運行的望遠鏡也檢測到了來自同一方向的極高能輻射。

當 IceCube 探測器探測到深空高能中微子的信息得到確認後，全球範圍內的一大批天文學家都開始著手分析這個中微子留下的數據，嘗試定位它的源頭。整個觀測形成了全球天文界一次聲勢浩蕩的「接力探測」。

科學家們的努力也沒有白費。關於高能中微子來源的可能解釋有中子星、伽馬射線爆發、超新星和某些星系中心的黑洞輻射，而經過聯合觀測加上查閱已有的數據資料，科學家們確定，這個高能中微子源自耀變體 TXS 0506+056 。

圖丨一個光學感測器深入南極冰面之下2500米，它是 IceCube 中微子探測器的一部分

整個過程正如 IceCube 的資深科學家 Albrecht Karle所說的：「所有的拼圖都相互吻合。我們中微子耀斑數據是一個獨立的證據，加之其他天文台的觀測，這些都有力地表明了高能中微子的來源是耀變體，而耀變體也就是高能宇宙射線源。」

耀變體是一種密度極高的高變能量源，被假定為處於寄主星系中央的超大質量黑洞。物質落入位於寄主星系中央的超大質量黑洞時，將產生能量。位於遙遠星系中心的耀變體每吞噬一顆星，就會以類似激光噴射的形式噴射出非常高能量的輻射，這些中微子就是在這一噴射過程中落向地球。

圖 | 2017 年 9 月 22 日，IceCube 向國際天文學界發出探測高能中微子預警。約 20 個地球或空間的監測站追蹤了這一觀測，為科學家追蹤超高能量中微子提供數據。（圖片來源：Nicolle R。 Fuller/NSF/IceCube）

事實上，IceCube 曾於 2013 年首次探測到高能宇宙中微子，並於 2016 年 4 月與賓夕法尼亞州的天體物理多用途觀測網路（AMON）合作，構成中微子探測即時警報系統。在後來的 16 個月里，該警報系統共發布了 11 次 IceCube-AMON 中微子探測警報。

論文共同作者，賓夕法尼亞州立大學天體物理學副教授 Derek Fox 說：「這些警報激起了一系列令人印象深刻的後續觀察，但沒有任何有趣的消息。。。。。。直到 IceCube-170922A 的出現。」

IceCube 如何立大功？

那麼，在此次發現中扮演重要角色的 IceCube 具體又是如何「捕獲」這個令全世界的天文學家為之興奮的最高能中微子的呢？

IceCube 中微子探測器於 2010 年完工，被放置在南極冰層下一塊一立方公里大小的冰塊中。當中微子撞擊冰塊里水分子的核時，其他粒子便會在反衝中散開，而在這些散開粒子的減速過程中，這些散開的粒子會發出契倫科夫輻射。

契倫科夫輻射是指在介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射。從宇宙空間中進入地球大氣層的某些高能粒子，運動速度接近光速，可以發出契倫科夫輻射。

IceCube 上所搭載的 5160 個光探測器中的一些便能在這個過程中探測到契倫科夫輻射。而科學家則能根據檢測到輻射的位置，時間和亮度，重建中微子的路徑和計算它所攜帶的能量。

圖 | 當中微子穿過冰時，IceCube 的光電探測器可通過檢測契倫科夫輻射追蹤這些中微子的源頭方向

非常有意思的是，發現引力波的 LIGO 和此次的 IceCube 都受到了美國自然科學基金（NSF）的支持。IceCube 最初的建設始於 2005 年，目前是全球最大的中微子探測器之一。就像幾年前 LIGO 裝置為全人類帶來宇宙深處雙黑洞合併的驚人信息一樣，IceCube 也在此次的發現中立下大功，人類的宇宙探索史有 LIGO 裝置的一頁，如今也會有屬於 IceCube 的一頁。

圖丨IceCube

目前，IceCube 的研究團隊正考慮進一步擴大 IceCube 及 IceCube-AMON 系統的規模。現有 IceCube 設備的成本約為 2.8 億美元，而此次的研究結論將為 IceCube 的擴張計劃帶來進一步的資金支持。

人類探測宇宙的新時代已經降臨

值得注意的是，本次研究中使用了多信使天文研究法，將多種「信使」的觀察和解譯結果進行綜合處理，最終獲得結論。

在多信使天文研究法中，中微子就是一種「信使」，它攜帶了粒子源的相關信息，因而可為科學家對相關天體或天文事件研究提供信息。除了中微子，這樣的信使還包括電磁輻射、引力波和宇宙射線等。

結合這些不同的「信使」，科學家可獲得不同方面的信息，更好地還原粒子源或所追蹤事件的細節。因此，此次的發現也標誌著人類對宇宙的探索進入了新階段。

NSF 主任Cordova 在同一份聲明中說：「多信使天體物理學的時代已經來臨。從電磁輻射、引力波和現在的中微子，每一個信使都讓我們對宇宙產生更全面的理解，也讓人類對空間中最強大的天體和事件有了更有力的洞察能力。」

論文的共同作者之一Marcos Santander 教授也表示：「這是我們首次有證據證明，一個活躍星系正在不斷向外噴射中微子，這意味著我們很快能用中微子來進行天體研究，這是此前的研究手段所不可能得到的結果。」

「下一步，我們將密切關注這個超大質量黑洞附近的物理條件，研究此類高能中微子的產生過程。根據我們目前的理論，這種事件發生的概率雖然不高，但絕對是可能發生的」，論文共同作者 Azadeh Keivani 說。

著名物理學家霍金曾經說過，「我的目標很簡單，就是把宇宙整個明白——它為何如此，它為何存在」。現在，人類又將朝著這個問題大步邁進。

參考文獻：

https：//http://www.sciencemag.org/news/2018/07/ghostly-particle-caught-polar-ice-ushers-new-way-look-universe

https：//http://news.psu.edu/story/527748/2018/07/12/research/identification-deep-space-source-neutrino-heralds-new-era-astronomy

http://earthsky.org/space/icecube-observatory-detects-neutrino-blazar-source

//www.space.com/41146-neutrino-source-blazar-cosmic-rays.html

引自：實力科普：人類首次確認37億光年外「幽靈粒子」源頭

（2018.7.23）

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