天文学突破 | 南极“冰立方”捕捉到来自40亿光年外的高能“幽灵粒子”

天文学突破 | 南极“冰立方”捕捉到来自40亿光年外的高能“幽灵粒子”

原理君  企鹅科学  昨天
去年九月，一位来自宇宙深处的信使，到访了位于南极冰盖之下早已在等待它的冰立方（IceCube）。在迅速地追踪了这位访客的方向之后，物理学家幸运地在另一台环绕地球运行的望远镜中，捕捉到了一股来自同一方向的极高能辐射流。

没错，这位遥远的访客便是科学家苦苦追寻的“高能中微子”，这一次我们终于追踪到了它的宇宙源头，解决了困扰天文学家一个世纪之久的谜团。

○ 科学家终于解决了高能中微子的起源之谜。| 图片来源：Maciej Rebisz/Quanta Magazine
中微子是几乎没有质量的亚原子粒子，它们没有电荷，很少与周围环境发生相互作用，因此也被称为“幽灵粒子”。但事实上，每一秒钟，都有数以万亿计的“幽灵粒子”在不知不觉中穿过我们的身体。

大多数的中微子都来自太阳。但是还有一小部分中微子拥有更高的能量，它们从非常深的深空中飞到我们身边。中微子固有的飘忽不定的属性，阻碍了天文学家确定这些宇宙遨游者的起源，直至今日……

南极的IceCube中微子观测站和其他一些仪器的观测，让研究人员追踪到了一个遥远耀变体（Blazar）中的宇宙中微子。耀变体是众多活跃星系中的一种，也被称为活动星系核（AGN），在它的中央是一颗快速旋转的超大质量黑洞。


○ 在大部分星系的中心——包括我们的银河系——都包含着一个质量为太阳数百万甚至是数十亿倍的巨大黑洞。在一些星系中，这个超大质量黑洞的周围会形成一个由气体、尘埃和恒星碎片组成的吸积盘。当盘中的物质落入黑洞时，引力能会转化为光，使这些星系的中心非常明亮，因此这些星系被称为AGN。有一些AGN会发射出以接近光速运动的相对论性喷流。科学家将它们称之为类星体。但是当一个星系产生的喷流正好指向地球，它就被称为耀变体。它跟类星体一样，只是指向了不同的角度。| 图片来源：Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
不仅如此，与宇宙中微子携手同行的还有宇宙射线，宇宙射线是不断地撞击地球的高能带电粒子。所以，新的发现认为耀变体至少也是速度最快的一些宇宙射线的加速器。

天文学家自1912年首次发现宇宙射线时，就对它们充满了好奇。但这些粒子的带电属性令它们受挫，这使得宇宙射线在快速掠过太空时，会受到各种天体不同的牵引。最终能被成功探测的是那个能径直完成太空旅行的幽灵粒子。

○ 耀变体会加速质子（p），进而产生π介子，而π介子又会产生中微子（ν）和伽玛射线。图中的蓝色线条代表了中微子的传播路径，穿过了南极洲；而伽玛射线的路径由粉色线条表示。| 图片来源：IceCube/NASA
IceCube中微子天文台的首席科学家Francis Halzen在接受space.com的采访时说：“对宇宙射线来源的寻找已经持续了一个多世纪。现在，我们终于找到了一个。”
众人之力


IceCube位于南极冰盖下的2.4公里深处，由86根装备了传感器的电缆组成，每根电缆包含有60个篮球大小的“数字光学模块”。这些光学模块配备有灵敏的光探测器，用于搜寻宇宙中最极端的天体事件辐射出的高能中微子。


○ 位于南极洲的IceCube。| 图片来源：IceCube/NSF
这些探测器是被设计来探测中微子与原子核相互作用后发射的特征蓝光。（这种蓝光由反应产生的次级粒子发射。覆盖南极的冰盖会阻止中微子以外的粒子抵达探测器进而污染数据。）Halzen说，探测到中微子是罕见的事件，IceCube每年只能探测到几百个中微子。


○ 当中微子穿越冰层时会发出微弱的光，这种光能被IceCube的光电探测器捕捉到，并追踪到这些中微子在天空中的起源。| 图片来源：IceCube
然而，2017年9月22日，IceCube探测到了另一种宇宙中微子。这种中微子能量极高，大约为300TeV——几乎比质子绕大型强子对撞机（LHC，地球上最强大的粒子加速器）加速一圈的能量高50倍。

在检测的1分钟内，仪器发出了自动通知，提醒其他天文学家注意发现，并接力探测可能是粒子源的那一小块天空。
整个团队回应了：地面上与天空中近20台望远镜，横跨电磁波的各个波段，从低能量射电波到高能伽玛射线，探测到了那片天区。联合观测发现中微子源是已知的、被称为TXS 0506+056的耀变体，距离地球大约40亿光年。


○ 2017年9月22日，IceCube向国际天文联合会报告了探测到高能中微子的预警。在地球和太空中的约20个天文台进行了后续观测，这让科学家们能够确定什么是高能中微子的来源，从而也就确定了宇宙射线的来源。除了中微子之外，通过电磁波谱进行的研究还包括在伽马射线、x射线、光学和射电辐射波段进行的观测。| 图片来源：Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
例如，一些不同仪器——包括NASA地球轨道费米伽玛射线太空望远镜，以及加那利群岛的MAGIC望远镜——的后续观测也发现了源自TXS 0506+056的剧烈伽玛射线暴。

另外，IceCub团队浏览了档案数据，并发现了数十个似乎来自同一耀变体的宇宙中微子。这些粒子是探测器在2014年底到2015年初检测到的。

IceCube的资深科学家Albrecht Karle在一份声明中说道：“所有的拼图都彼此吻合。我们档案数据中的中微子耀斑成为一份独立的证据。连同其他天文台的观测，这些证据有力地表明，这个耀变体正是高能中微子，也就是高能宇宙射线源。”

○ 遥远的活动星系核发射出的中微子在宇宙中穿行40亿年后抵达地球。2017年9月22日，南极的IceCube中微子天文台探测到了中微子IC170922。覆盖南极的冰盖会阻止中微子以外的粒子抵达探测器，冰盖中的水分子则会与中微子相互作用，发射一种叫做μ子的次级粒子，形成特征蓝光，被IceCube探测到。| 视频来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab/Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube.

多信使天体物理学的崛起


耀变体是一种特殊类型的高光度活动星系，它能喷射出光和粒子的双喷流束，其中一束直接对准地球。这就是为什么在我们看来耀变体如此明亮的部分原因。天文学家已经在宇宙中发现了数千个耀变体，没有一个像TXS 0506+056一样向我们发射中微子。Halzen说：“这一源头具有特别之处，我们必须弄清楚它是什么。”

○ 耀变体TXS 0506+056位于猎户座方向上（图中浅蓝色靶心）。| 图片来源：Silvia Bravo Gallart/ Project_WIPAC_Communications
这只是从新结果衍生出的众多问题之一。例如，Halzen也想知道加速机制是什么：耀变体到底是如何让中微子和宇宙射线达到如此惊人的速度的？基于新研究中显示出的“多信使天体物理学”（用至少两种不同类型的信号来探索宇宙）的力量，Halzen对在不久的将来能解答这些问题表示乐观。

这是多信使天文学的又一个里程碑。（第一个来自2017年10月，当时科学家宣布，他们通过观测一个剧烈的碰撞事件发射出的电磁辐射和引力波，对两颗超高密度的中子星碰撞进行了分析。）从这次多信使观测事件中我们可以学到很多：

耀变体已经被证明至少是宇宙射线的一个来源。
为了加速中微子，需要衰变的π介子，而π介子是由加速的质子产生的。
这为黑洞加速质子提供了第一个确凿证据。
这也证明了耀变体TXS 0506+056是宇宙中最明亮的光源之一。
最后，通过伴随中微子的宇宙射线，我们可以确定，宇宙中微子与宇宙射线至少有时候具有共同的起源。

○ 多信使天文学（中微子、引力波和电磁波）时代的到来，能够帮助我们更好的探索宇宙。| 图片来源：IceCube
美国国家科学基金会（NSF）主任France Cordova在同一份声明中说：“多信使天体物理学的时代已经到来。每一个信使——从电磁辐射到引力波再到现在的中微子，都让我们对宇宙有了更全面的了解，也让我们对天空中最强大的天体和事件有了更重要的新见解。”

编辑：Jin/萌大统领

参考来源：
[1] https://www.space.com/41146-neutrino-source-blazar-cosmic-rays.html
[2] M. G. Aartsen et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science. Published online July 12, 2018. doi: 10.1126/science.aat1378.
[3] M. G. Aartsen et al. Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science. Vol. 361, July 13, 2018, p. 147. doi: 10.1126/science.aat2890.
[4] F. Córdova et al. NSF press conference on breakthrough in multimessenger astrophysics.  National Science Foundation headquarters, Alexandria, Va., July 12, 2018.

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