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去年九月，一位來自宇宙深處的信使，到訪了位于南極冰蓋之下早已在等待它的冰立方（IceCube）。在迅速地追蹤了這位訪客的方向之后，物理學(xué)家幸運(yùn)地在另一臺環(huán)繞地球運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡中，捕捉到了一股來自同一方向的極高能輻射流。沒錯(cuò)，這位遙遠(yuǎn)的訪客便是科學(xué)家苦苦追尋的“高能中微子”，這一次我們終于追蹤到了它的宇宙源頭，解決了困擾天文學(xué)家一個(gè)世紀(jì)之久的謎團(tuán)。

中微子是幾乎沒有質(zhì)量的亞原子粒子，它們沒有電荷，很少與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，因此也被稱為“幽靈粒子”。但事實(shí)上，每一秒鐘，都有數(shù)以萬億計(jì)的“幽靈粒子”在不知不覺中穿過我們的身體。大多數(shù)的中微子都來自太陽。但是還有一小部分中微子擁有更高的能量，它們從非常深的深空中飛到我們身邊。

中微子固有的飄忽不定的屬性，阻礙了天文學(xué)家確定這些宇宙遨游者的起源，直至今日……南極的IceCube中微子觀測站和其他一些儀器的觀測，讓研究人員追蹤到了一個(gè)遙遠(yuǎn)耀變體（Blazar）中的宇宙中微子。耀變體是眾多活躍星系中的一種，也被稱為活動星系核（AGN），在它的中央是一顆快速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞。

不僅如此，與宇宙中微子攜手同行的還有宇宙射線，宇宙射線是不斷地撞擊地球的高能帶電粒子。所以，新的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為耀變體至少也是速度最快的一些宇宙射線的加速器。天文學(xué)家自1912年首次發(fā)現(xiàn)宇宙射線時(shí)，就對它們充滿了好奇。但這些粒子的帶電屬性令它們受挫，這使得宇宙射線在快速掠過太空時(shí)，會受到各種天體不同的牽引。最終能被成功探測的是那個(gè)能徑直完成太空旅行的幽靈粒子。

IceCube中微子天文臺的首席科學(xué)家Francis Halzen在接受space.com的采訪時(shí)說：“對宇宙射線來源的尋找已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)?，F(xiàn)在，我們終于找到了一個(gè)。

眾人之力

IceCube位于南極冰蓋下的2.4公里深處，由86根裝備了傳感器的電纜組成，每根電纜包含有60個(gè)籃球大小的“數(shù)字光學(xué)模塊”。這些光學(xué)模塊配備有靈敏的光探測器，用于搜尋宇宙中最極端的天體事件輻射出的高能中微子。

這些探測器是被設(shè)計(jì)來探測中微子與原子核相互作用后發(fā)射的特征藍(lán)光。（這種藍(lán)光由反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子發(fā)射。覆蓋南極的冰蓋會阻止中微子以外的粒子抵達(dá)探測器進(jìn)而污染數(shù)據(jù)。）Halzen說，探測到中微子是罕見的事件，IceCube每年只能探測到幾百個(gè)中微子。

然而，2017年9月22日，IceCube探測到了另一種宇宙中微子。這種中微子能量極高，大約為300TeV——幾乎比質(zhì)子繞大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC，地球上最強(qiáng)大的粒子加速器）加速一圈的能量高50倍。在檢測的1分鐘內(nèi)，儀器發(fā)出了自動通知，提醒其他天文學(xué)家注意發(fā)現(xiàn)，并接力探測可能是粒子源的那一小塊天空。

整個(gè)團(tuán)隊(duì)回應(yīng)了：地面上與天空中近20臺望遠(yuǎn)鏡，橫跨電磁波的各個(gè)波段，從低能量射電波到高能伽瑪射線，探測到了那片天區(qū)。聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)中微子源是已知的、被稱為TXS 0506+056的耀變體，距離地球大約40億光年。

例如，一些不同儀器——包括NASA地球軌道費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡，以及加那利群島的MAGIC望遠(yuǎn)鏡——的后續(xù)觀測也發(fā)現(xiàn)了源自TXS 0506+056的劇烈伽瑪射線暴。另外，IceCub團(tuán)隊(duì)瀏覽了檔案數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)似乎來自同一耀變體的宇宙中微子。這些粒子是探測器在2014年底到2015年初檢測到的。

IceCube的資深科學(xué)家Albrecht Karle在一份聲明中說道：“所有的拼圖都彼此吻合。我們檔案數(shù)據(jù)中的中微子耀斑成為一份獨(dú)立的證據(jù)。連同其他天文臺的觀測，這些證據(jù)有力地表明，這個(gè)耀變體正是高能中微子，也就是高能宇宙射線源?！?/p>

多信使天體物理學(xué)的崛起

耀變體是一種特殊類型的高光度活動星系，它能噴射出光和粒子的雙噴流束，其中一束直接對準(zhǔn)地球。這就是為什么在我們看來耀變體如此明亮的部分原因。天文學(xué)家已經(jīng)在宇宙中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)耀變體，沒有一個(gè)像TXS 0506+056一樣向我們發(fā)射中微子。Halzen說：“這一源頭具有特別之處，我們必須弄清楚它是什么?！?/p>

這只是從新結(jié)果衍生出的眾多問題之一。例如，Halzen也想知道加速機(jī)制是什么：耀變體到底是如何讓中微子和宇宙射線達(dá)到如此驚人的速度的？基于新研究中顯示出的“多信使天體物理學(xué)”（用至少兩種不同類型的信號來探索宇宙）的力量，Halzen對在不久的將來能解答這些問題表示樂觀。

這是多信使天文學(xué)的又一個(gè)里程碑。（第一個(gè)來自2017年10月，當(dāng)時(shí)科學(xué)家宣布，他們通過觀測一個(gè)劇烈的碰撞事件發(fā)射出的電磁輻射和引力波，對兩顆超高密度的中子星碰撞進(jìn)行了分析。）從這次多信使觀測事件中我們可以學(xué)到很多：

• 耀變體已經(jīng)被證明至少是宇宙射線的一個(gè)來源。

• 為了加速中微子，需要衰變的π介子，而π介子是由加速的質(zhì)子產(chǎn)生的。

• 這為黑洞加速質(zhì)子提供了第一個(gè)確鑿證據(jù)。

• 這也證明了耀變體TXS 0506+056是宇宙中最明亮的光源之一。

• 最后，通過伴隨中微子的宇宙射線，我們可以確定，宇宙中微子與宇宙射線至少有時(shí)候具有共同的起源。

美國國家科學(xué)基金會（NSF）主任France Cordova在同一份聲明中說：“多信使天體物理學(xué)的時(shí)代已經(jīng)到來。每一個(gè)信使——從電磁輻射到引力波再到現(xiàn)在的中微子，都讓我們對宇宙有了更全面的了解，也讓我們對天空中最強(qiáng)大的天體和事件有了更重要的新見解。

博科園-科學(xué)科普｜來自：原理/principia1687

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