科學也可以如此靠近

一個來自超大質量黑洞的「幽靈粒子」穿越太空,鑽進了南極冰層

3月
21
2019

2019年3月21日02時 今日科學 文匯APP

文匯APP

冰立方是美國主導的天文觀測設備,座落於南極冰層深處,耗資2.7億美元建造。這台探測器能夠探測到來自深空的高能亞原子粒子——有著「幽靈粒子」之稱的中微子。中微子從深空來到地球,可能直接來自於超新星爆炸殘餘或者黑洞。普通的望遠鏡無法觀測到神秘莫測的中微子,但冰立方可以。它是迄今為止建造的世界上最大的中微子望遠鏡。

▲座落於南極的冰立方中微子觀測站

2017年9月22日,一個來自遙遠超大質量黑洞的「幽靈粒子」,也就是中微子穿越太空,以略低於光速的速度鑽進南極冰層。它的能量達到300萬億電子伏特,幾乎是歐洲核子研究組織大型強子對撞機(世界上最大的粒子加速器)所釋放能量的50倍。這個宇宙入侵者觸發了冰立方中微子觀測站的探測器並發出紅色警報。

▲藝術概念圖,契倫科夫光錐穿過冰立方望遠鏡最不愛「交際」的粒子

冰立方致力於揭開物理學和宇宙學的一個最大謎團——中微子的源頭。這個觀測站建在南極地下,被1立方公里冰層包裹,用於探測中微子。當中微子與冰層內的原子發生交互,冰立方能夠探測到它們的存在。中微子「來襲」會導致瀑布般的快速移動帶電粒子釋放出微弱光線,被稱之為「契倫科夫光」。冰立方內的數千個光學傳感器能夠捕捉到契倫科夫光。根據「粒子瀑布」釋放的光量,科學家能夠確定來襲中微子的能量。

中微子是速度最快、質量最小、最不愛「交際」,並且最不為科學家所知的基本粒子。科學家也是剛剛能夠探測到來自深空的高能中微子。這種粒子沒有電荷,質量也低到無法準確測量的程度。它們只通過引力和所謂的弱核力與其它物質交互,能夠像幽靈一樣神不知鬼不覺地穿過地球,甚至數公里厚的鉛板。

科學家希望利用中微子探索宇宙

2012年,科學家第一次發現單一銀河系外天體與中微子之間發生可信交互。當時,遙遠星系PKS

B1424-418的一場劇烈爆炸產生的中微子抵達地球。這場爆炸發生在100億年前。雖然中微子的數量遠超過宇宙內的所有原子,但由於極少與其它物質交互,探測中微子成為一個巨大挑戰。此外,這種特性還讓中微子快速逃離光線無法輕易逃脫的區域,例如一顆塌陷恆星的核心。在宇宙中,它們幾乎暢通無阻。中微子所能提供重要的宇宙演化和環境信息。如果只通過研究光線,科學家很難獲取這些信息。

發現「大鳥」

冰立方發現了地外中微子的第一個證據,並憑藉此發現入選2013年《物理世界》年度十大突破。迄今為止,冰立方團隊已經發現了大約100個高能中微子,並以兒童電視劇集《芝麻街》中的人物命名最為極端的中微子事件。

▲費米伽瑪射線望遠鏡

2012年12月4日,冰立方探測到一場被稱之為「大鳥」的事件。「大鳥」的能量超過2千萬億電子伏特。這相當於將1萬億倍牙科X射線的能量塞進一個質量不及電子百萬分之一的粒子。「大鳥」是當時探測到的能量最高的中微子,至今仍排在第二位。

「大鳥」來自何處?冰立方團隊將可能區域鎖定在大約32度寬的一片南天區域,視面積相當於64個滿月。研究論文主執筆人、德國維爾茨堡大學天體物理學教授馬蒂亞斯·卡德勒表示:「這就像在勘察犯罪現場。這起案件涉及到一場爆炸、一名嫌犯以及一系列旁證。」根據卡德勒率領的國際天文學家小組的研究,同一事件的大約同一時間可能誕生一個破紀錄的中微子。維爾茨堡大學和埃爾蘭根-紐倫堡大學的天文學家和天體粒子物理學家也參與了這項研究。

▲費米望遠鏡獲取的耀變體PKS B1424-418周邊天域圖像,顏色越亮的區域伽瑪射線越多。虛線環為冰立方鎖定的中微子「大鳥」的可能源區,可信度達到50%。左圖以2011年7月8日為中心,涵蓋300天數據,當時的PKSB1424-418處於不活躍狀態。右圖以2013年2月27日為中心,涵蓋300天的活躍狀態數據,當時PKS B1424-418是這片天域最明亮的耀變體

2012年夏季,美國宇航局的「費米」伽瑪射線望遠鏡觀測到PKS B1424-418的亮度大幅提高。PKS

B1424-418是一個活躍星系,被歸為「伽瑪射線耀變體」。活躍星系擁有緊湊且亮度非比尋常的核心,中央區域的驚人亮度由物質墜落超大質量黑洞所致。這個黑洞的質量是太陽的數百萬倍。向這個超級黑洞墜落時,某些物質被導入以接近光速向外移動的粒子噴流。耀變體的其中一道噴流幾乎正對地球。蝎虎座BL型天體是科學家發現的第一種耀變體。

在長達一年的爆發中,PKS B1424-418的伽瑪射線平均亮度達到噴發前的15到30倍。這個耀變體處在「大鳥」潛在源區。繼PKS B1424-418之後,費米望遠鏡又發現其它很多活躍星系。

▲TANAMI獲取的圖像,射電頻率為8.4 GHz,展示了PKS B1424-418星系2011年至2013年的爆發景象。這顆耀變體核心噴流的亮度提高了4倍,是TANAMI計劃觀測到的最富戲劇性的耀變體

TANAMI助力

隨後,搜尋中微子源頭的科學家將目光投向長期觀測計劃TANAMI的數據。2007年以來,TANAMI便經常對南天的近100個活躍星系進行觀測,包括費米望遠鏡探測到的很多明亮星系。2011年至2013年的三次射線觀測與費米的觀測重疊。觀測結果表明PKS B1424-418核心的噴流亮度提高了近4倍。計劃實施期間,TANAMI從未觀測到出現如此戲劇性變化的其它星系。

TANAMI是一項針對南天活躍星系的多波長觀測計劃,利用澳大利亞長基線望遠鏡陣列以及智利、南非、紐西蘭和南極洲的相關望遠鏡定期進行射線觀測。如果將這些望遠鏡連成一片,覆蓋區域超過9655公里。科學家讓它們「齊上陣」,以獲取活躍星系噴流的超高清圖像。

▲藝術概念圖,耀變體派遣中微子「入侵」地球

研究論文合著者、維爾茨堡大學天文學教授卡爾·曼海姆表示:「耀變體的質量可達到太陽的10億倍左右。它們的噴流能夠將質子加速到相對論性速度。這些質子與耀變體中央區域光線的交互能夠形成介子。介子衰變會產生伽瑪射線和中微子。」

研究論文合著者、埃爾蘭根-紐倫堡大學的費利希亞·克勞伯指出:「我們對『大鳥』的可能源區進行勘察,搜尋能夠產生高能粒子和光線的天體。我們最終意識到我們觀測到的最具戲劇性的耀變體爆發剛好在正確的時間和正確的地方上演。這是一個激動人心的時刻。」

研究小組認為PKS B1424-418爆發與「大鳥」之間存在聯繫,兩個事件偶然發生的機率只有5%。藉助費米望遠鏡、美國宇航局「雨燕」和WISE衛星以及長基線望遠鏡陣列和其它觀測設備的數據,研究人員確定了爆發所產生能量的電磁波譜分布,同時證明這場大爆發的威力足以產生PeV級高能中微子。

▲為了探測中微子,冰立方探測器使用深埋在南極冰盾地下的5160個傳感器,深度在1500米到2000米之間鎖定第一嫌犯

卡德勒指出:「通過將所有相關觀測數據考慮在內,我們發現這顆耀變體似乎有能力、有動機,也有機會產生中微子『大鳥』。它是我們鎖定的第一嫌犯。」威斯康星大學麥迪遜分校冰立方項目首席研究員弗朗希斯·哈爾澤表示『大鳥』的發現是一個令人興奮的暗示,預示著科學家將取得更令人吃驚的發現。哈爾澤並未參與此項研究。

哈爾澤指出:「當記錄下一顆源區只有半度多一點的中微子,或者略大於滿月的視面積,冰立方會發出實時警報。我們正緩慢打開宇宙的一個中微子窗口。」2017年9月22日,哈爾澤宣布:「我們發現了第一個宇宙射線源頭。」

▲藉助冰立方探測器,科學家首次探測到來自外太空的中微子。冰立方探測器使用深埋在南極冰盾地下的5000多個傳感器進行探測,深度達到1.5公里

數秒鐘內,冰立方便向全球天文觀測衛星網絡發出警報,包括將這個中微子的源頭追溯到超大質量黑洞的費米望遠鏡。

這個黑洞是一個遠古類星體,座落於遙遠星系TXS 0506+056,能夠產生極強的X射線和伽瑪射線暴。

冰立方項目科學家對此前的觀測數據進行了梳理,最後發現了TXS0506+056星系此前的中微子爆發,其中包括2014年和2015年的大規摸中微子爆發。(TXS 0506+056被科學家戲稱為「德州源」。)這一發現為科學家提供了長久以來探尋的線索,有助於他們揭開一大謎團,即宇宙射線這種來自太空的高能粒子雨究竟源自何處。

哈爾澤在一封電郵中指出:「在這個活躍星系,中微子究竟在何處產生仍有待科學家討論。有一點是確定的,超大質量黑洞扮演了加速器的角色。不過,如何加速中微子仍是一個不解之謎。」

夏威夷大學中微子專家約翰·勒尼德在寫給《紐約時報》的郵件中指出:「我對研究發現持相信態度。幾十年來,我們夢寐以求的真正意義上的高能中微子天文學研究正式拉開帷幕。我們將窺探宇宙中能量最大的天體『內臟』。」勒尼德並未參與冰立方項目。

中微子天文學研究之所以引起科學家的濃厚興趣,是因為他們有可能追溯中微子的源頭。中微子不僅能夠遠距離穿行,以接近光速的速度穿過恆星核心等其它物質無法穿越的區域,同時沒有電荷,不受到星際和星系際磁場以及其它因素影響。相比之下,質子和電子等宇宙粒子的移動都在受影響之列。中微子能夠徑直在宇宙中穿梭,幾乎做到暢通無阻。

▲為了探測中微子,冰立方探測器使用深埋在南極洲冰盾地下的5160個傳感器,深度在1500米到2000米之間。之所以將部署地點選在地下深處是為了將探測器與宇宙射線和其他背景輻射隔絕開來

冰立方項目由12個國家的300名科學家參與,採用5000多個靈敏的光電倍增管。這些傳感器深埋南極冰盾地下,四周被1立方公里的冰層包裹。當極為罕見的中微子撞擊冰層內的原子核,中微子會產生一個藍光錐,被稱之為「契倫科夫輻射」。契倫科夫輻射穿過冰層並被光電倍增管捕獲。

哈爾澤表示建造冰立方的目的就是尋找宇宙射線的源頭。自2011年服役以來,冰立方已多次發現中微子。但迄今為止,科學家尚未鎖定任何一顆中微子的源頭。其中一個原因在於,科學家假設源頭就在附近,可能就在我們的銀河系。然而,「德州源」TXS 0506+056在40億光年外,是宇宙中最明亮的天體之一。


延伸閱讀

嫦娥四號剛落月就休眠?遭美國科學家嘲笑,歐洲卻展

萬事俱備!SpaceX第一艘載人龍飛船即將開啟太

這張令人驚嘆的月球背面全景圖讓外媒炸了!嫦娥4號

線速42米/秒,捕食者死傷大半,風力發電機真成鳥

歐洲海洋保護區竟成捕撈「重災區」! | Sci


熱門內容

友善連結