科學家首次發現「幽靈粒子」的源頭：中微子天文學初露鋒芒

探究宇宙射線的源頭是讓我們能夠理解宇宙本質的一個關鍵問題，科學家們在這一問題上已經花費了一個世紀的時間。在一項最新的研究中，科學家們首次通過對中微子的探測，確定了一處宇宙射線的源頭：在2017年9月份由南極「冰立方」中微子探測器發現的中微子信號來自於40億光年外的一個巨大黑洞，這也首次展示出了中微子探測對於天文學的重大意義。這項研究發表於7月13日的《科學》雜誌。

圖註：巨大黑洞噴射高能宇宙射線的藝術概念圖。

科學家們首次探測到高能中微子的源頭

探究宇宙射線的來源是理解宇宙本質的關鍵，天文學家們在這個問題上已經花了一個世紀的時間。但現在，多虧了一個幽靈般的中微子，他們終於成功了。

這種中微子的質量是如此之小，以至於超過100億個中微子才能達到一個質子的質量。但這個絕無僅有的中微子，通過撞擊埋在南極冰層深處的「冰立方（IceCube）中微子探測器」創造了歷史。

通過對這顆中微子的探測與多渠道天文信息的綜合，最終讓科學家們確定，它來自於40億光年外的一處巨大黑洞：類星體TXS 0506+056。這個黑洞有這10億倍於太陽的質量，不斷地吞噬著周圍的物質；而在40億年前，它的吸積盤軸心恰好對上了原始的地球，這讓科學家們有幸在2017年9月份探測到從它軸心射出的明亮光束（在這種情況下，科學家們也會稱這種明亮的天體為「耀變體」）——雖然歷經40億年的旅程後，我們只能捕捉到這道光速中的一顆中微子。

但對於這場起始於40億年前的旅程，這顆中微子算是有了一個圓滿的結局。它讓科學家們終於可以探測到宇宙射線的源頭，並開創了中微子天文學的新時代。

「我們可以不再用傳統的方法來解決高能天體物理學問題了，」 威斯康星大學麥迪遜分校的粒子天體物理學家弗朗西斯·哈爾岑（Francis Halzen）說道，他是「冰立方」的首席研究員。

圖註：「冰立方」中微子探測器位於南極冰面之上的部分。

中微子天文學

中微子對天文學家很有價值，因為它們幾乎不與物質相互作用。這意味著它們可以穿過行星、恆星甚至整個星系。

雖然它們非常小，但它們的數量也極其巨大。每秒鐘都有數以十億計的亞原子粒子通過你的指尖。

儘管其本質難以捉摸，但天文學家們仍在尋找中微子，希望它們能幫助解開宇宙射線的起源之謎。宇宙射線是從太空轟擊地球的高能量帶電粒子，大部分是質子，以及少量的原子核和電子等微觀粒子。它們被某種天體加速到巨大的能量，並拋向整個宇宙。這些粒子能以數百萬億電子伏特的能量到達地球——這足以讓歐洲大型強子對撞機產生的6.5萬億電子伏特質子流相形見絀。要將這些粒子加速到如此高的能量，需要一個強大的「宇宙引擎」：比如說星系中心的一個超大質量黑洞，或者一個巨大的超新星。

但是，科學家們一直都沒有確切地知道這些宇宙射線是從哪裡來的。這是因為當這些粒子在星系間的距離移動時，它們的路徑被滲透到空間的磁場扭曲了：這意味著當它們到達地球時，已經不再指向它們的源頭。

但是，中微子為這個問題提供了一個解決方案：因為這些中性粒子不受磁場的影響。當他們到達地球的時候，還能指明它們回家的路。而且，產生高能宇宙射線的強大「宇宙引擎」恰好也會產生出高能中微子。

但是，這些幽靈般的粒子質量如此之小，且不與物質相互作用，也使科學家們在觀測中難以捕捉到它們。哈爾岑表示，在大約平均10，000到100，000次高能中微子撞擊過程中，科學家們才能探測到其中的一次，其餘時刻它們都會毫髮無傷地通過探測器。

圖註：由「冰立方」捕捉到的高能中微子信號。

「冰立方」中微子探測器

「冰立方」合作組織開始探測這種罕見的、奇異的中微子撞擊。「冰立方」中微子探測器由5000多個感測器組成，深深地埋入了南極深處的冰層之中，在與中微子接觸後，探測器可以捕捉到由次級粒子引起的藍光閃爍。科學家們可以分析由此產生的光軌跡，以判斷粒子的方向和撞擊時的能量。

本次中微子的發現可以幫助天文學家更好地理解這些宇宙事件的內部運作。另外，通過對比先前的探測記錄，研究人員發現他們在2014年9月至2015年3月期間還發現了十幾個中微子，這些中微子似乎都是從相同的方向過來的。這些結果被發表在《科學》雜誌的另一篇論文中。哈爾岑表示，這表明中微子的記錄可以讓科學家從新的角度來觀察舊的事件。

他指出，要將這些粒子推到如此高的能量水平，然後將它們推送近40億光年的距離，就需要一個極其強大的能量來源。

「所以這個來源肯定有一些特別之處，」 哈爾岑說，這是一種不太明顯的特殊情況，需要進一步的研究才能理解。但他補充說，中微子天文學已經在科學家們眼前展示出了它非同尋常的本領。

圖註：「冰立方」探測器在冰層之下部分的藝術概念圖。

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