它來自黑洞，穿越40億光年，在南極遇到塊「冰立方」，冷得一哆嗦

作者：劉博洋

編輯：小柒

《科學》雜誌剛剛發布了南極「冰立方」中微子望遠鏡（IceCube）和其他望遠鏡聯手發現一顆極高能中微子並定位其來源的消息。

這是啥情況？

它是哪來的？

這對天文學發展又意味著什麼呢？

太長不看版

2017年9月22日，南極 「冰立方」望遠鏡探測到了一次極高能中微子事件。

這顆中微子的來源方向上，剛好有一個正處在活躍狀態的「耀變體」。它很可能就是這顆極高能中微子的源頭。

這是首次確認了宇宙中高能中微子和高能宇宙線的具體來源天體。

多信使聯測，觀測天文學的「新常態」來了。

尋找中微子源

中微子一種質量非常小的基本粒子，比電子還要輕大約兩百萬倍。它經常產生於各種粒子相互轉化的過程中，產生後以接近光速飛行，幾乎和任何物質都不發生作用。

中微子在上世紀30年代作為一種理論上存在的粒子被提出，但一開始連提出者自己都不太相信它的存在。

在上世紀中葉，人們試圖解決太陽能源機制問題的過程中，逐漸明確的意識到，太陽內部核反應可以產生中微子。1970年代，兩位天文學家首次通過實驗確認了太陽中微子的存在。太陽成為了人們確認的首個能夠發射中微子的天體。

1987年，人們在銀河系的衛星星系「大麥哲倫雲」（LMC）中觀測到了一顆肉眼可見的超新星，這是1604年開普勒超新星以來唯一一次肉眼可見的超新星爆發事件。而就在這枚距離我們16萬光年的超新星放出的光子到達地球前三個小時，分布在全球各處的幾台中微子探測器不約而同的探測到一波中微子信號。超新星 1987A，成為了人們確認的第二個中微子來源天體。

大麥哲倫雲星系中的超新星1987A的遺迹。圖片來源：哈勃空間望遠鏡拍攝，Noel Carboni 處理

但此後三十年，人們再也沒有確認天空中哪一個具體的中微子源。直到現在。

而且這次冰立方探測到的中微子，可以說是把前兩者碾壓到渣都不剩。

太陽中的中微子絕大多數來源於質子-質子反應，這種反應釋放出的中微子能量峰值位於大約 0.3 MeV 處。而1987A超新星爆發前，日本神岡等中微子探測器捕捉到的中微子能量，則均在 10 MeV 左右。TeV 和 MeV 之間差了百萬倍，所以冰立方這次看到的極高能中微子的能量（~290 TeV），分別相當於太陽中微子平均能量的十億倍，和 1987A 中微子平均能量的數千萬倍。而發出這顆中微子的源天體 TXS 0506+056，距離我們足有40多億光年之遙。

中微子：何以高能

作為一種比電子還要輕小許多的微觀粒子，是什麼讓如此渺小的中微子可以擁有堪比宏觀物體的巨大的動能？

宇宙中很多極端的現象，要找一個罪魁禍首的話，黑洞都難辭其咎。極高能中微子也是如此。

上世紀60年代，射電天文學的發展為天文學打開了嶄新的電磁波段窗口，一系列影響深遠的新天體、新現象被發現，其中就包括「類星體」，這種看著像是恆星、但其實不是恆星的東西。類星體和其他幾種另外發現的天體，究其本質，我們現在將其統稱為「活動星系核」（AGN）。

而所謂活動星系核，指的就是星系中央盤踞著的超大質量黑洞和周邊結構共同組成的這麼一種天體系統。黑洞巨大的引力勢阱，讓掉落的物質釋放出巨大能量。與此同時，系統向盤面兩側以接近光速噴出強大的噴流。

黑洞有「挨餓」和「饕餮」這兩種狀態，而即使對同一種狀態的黑洞，在不同角度下看過去，也會形成不同表象。

以超大質量黑洞為核心的活動星系核在不同狀態、不同觀測方向上呈現不同的特徵。圖片來源：Brian Koberlein

本次高能中微子事件的始作俑者就是其中一種——蠍虎座BL型天體，也就是正對著噴流、亮瞎你眼的那種情形。因為亮度多變，它還有一個更帥氣的名字，「耀變體」（Blazar）。

在近光速噴薄而出的相對論性噴流中，裹挾的是無數質子等粒子。這正是每時每刻都在轟擊地球的「宇宙線」的成分。其中的高能質子在前進中，會時不時發生一些意外：

它可能偶遇一顆光子並發生碰撞，一種可能結果是高能質子損失部分能量，同時製造出一個新的粒子，π介子。這是一種質量約為電子的270倍的粒子。它又分為帶電和不帶電兩種，其中帶電的π介子會進一步衰變成μ子（一會兒還會用到這個東西）和一種中微子（μ中微子）；而不帶電的π介子則會衰變成光子。

虎父無犬子，相對論性噴流噴出高能質子，高能質子打出高能π介子，而高能π介子造出來的，是高能中微子和高能光子（即伽馬射線）。

所以其實我們早就期待，高能中微子和伽馬射線，可以一同閃耀。

南極，冰井深

中微子探測器是怎麼「探測」到中微子的呢？不是說好了中微子見了誰都不理的嗎？

也不盡然。在四種基本相互作用中，中微子只參與弱相互作用和引力相互作用，不參與強相互作用和電磁相互作用。之所以造成「中微子見了誰都不理」這種印象，是因為弱相互作用的作用距離極短、作用截面極小，很難真正發生碰撞。但常言道（誤），「如果你看的不夠清楚，要麼是你站的不夠近，要麼是你口徑不夠大」，只要肯堆料，總是可以解決的。

日本神岡實驗用了一個16米高的罐子裝了3000噸純凈水，而它的升級版，「超級神岡」，用一個40米高的大罐子裝了50000噸純凈水，來作為探測介質。2002、2015年兩次諾貝爾物理學獎，均出自使用它們對中微子進行的研究。

超級神岡探測器結構示意圖。圖片來源：S.Fukuda 等。

但畢竟太陽離這麼近、1987A 離的也不算很遠，它們發出的中微子流量之大，用（超級）神岡這麼大的罐子就能捕捉的到。而預期中高能中微子的來源，那些遙遠的活動星系核，動輒離我們數十億光年之遙，它們產生的高能中微子能來到地球的，比起太陽中微子來說算是少之又少。儘管中微子的作用截面隨著能量的增大而增大，但要想研究這些高能中微子，還是需要一個巨無霸中微子探測器。

南極是地球上唯一保有深達數公里純凈冰層的地方，這裡是建造公里級大型中微子探測器的不二選擇。

於是「冰立方」登場了。

圖片來源：Icecube/NSF

厚達2820米的冰層上被開出了86眼深井，每眼井中，從距冰表1450米處開始向下，安置了60個用於探測中微子產物信號的光學感測器，構成了一個大約覆蓋一立方公里範圍的感測器陣列。

圖片來源：Icecube/NSF

當若干來自宇宙深處的高能中微子勞師遠征闖入「冰立方」附近，偶爾會有個別不幸的μ中微子與冰或基岩中的質子發生碰撞，產生一個高能的μ子。以近光速運動的高能μ子在冰中穿行的時候，會發現自己已經跑的比冰裡面的光速還要快了，就像超音速飛機在空氣中所做的，它也在所到之處擊出一串光之「激波」，這就是所謂「切倫科夫輻射」，一種詭譎科幻的藍光。而那些鑲嵌在冰中的光子感測器，隨距離μ子路徑的遠近，先後接收到強弱不等的藍光信號，匯總起來，就是這樣的圖景：

圖：Icecube/NSF

據此，就可以反演出高能μ子來襲路徑，也即高能中微子的入射方向。由此，冰立方確定的中微子源方位的誤差範圍，跟月亮覆蓋的天空面積差不多大。

多信使的盛宴

現代天文學所謂之多信使，包含由無限電波、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線共同構成的電磁波，引力波，以及中微子、宇宙線等實物粒子。不同類型的天體，或者同一天體在不同的演化階段，甚至在同一演化階段的不同具體狀態下，都會在各種「信使」以至各種「波段」呈現出不同的表現。

所以在當代，如果還像以前那樣只用個別波段、個別信使對天體進行研究，不免有盲人摸象之感。尤其是對於很多高能天體物理事件，目標源以天甚至更短的時標為單位快速變化，觀測的機遇之窗稍縱即逝。在這種時候，各自操持不同觀測設備的全球天文學家們，會一齊撲到突發事件上面，以求留下珍貴數據。

以這次高能中微子事件為例。2017年9月22日世界時20:54事件發生後，冰立方團隊很快意識到這很可能是一起天體物理起源的事件。僅約4小時之後，冰立方團隊就在「伽馬射線協作網路」（又名「時變天文網路」）中發布了事件報告，尋求全球天文設備的跟進觀測支持。

費米伽馬射線衛星。圖片來源：NASA/Aurore Simonnet, Sonoma State University，繪製者 Sandbox Studio

最先投入響應的是一大波經常需要面對緊急高能事件的望遠鏡，其中在本次事件中做出了尤其主要貢獻的，是專門監測高能伽馬射線的費米衛星，它在多年巡天工作中，已經掌握了全天高能目標的完整源表。所以這次冰立方的估計位置範圍一出來，費米團隊馬上就發現這個範圍內確實有一個已知的耀變體存在。而且因為費米衛星迄今已經發射十年，它在注意到這個源「有問題」之後，可以回頭查閱檔案數據，看看它之前表現的是否正常。一查便知：早在2017年4月開始，這個源就已經開始變亮了。而在本次事件前後兩周的時間內，它更是比「正常」亮度要亮了6倍。

利用費米衛星的長期監測數據，結合冰立方的中微子監測歷史記錄，冰立方科學團隊計算出僅僅由於巧合而導致本次事件的中微子與這麼亮的一個耀變體剛好處在同一方向的可能性：14%。說實話這並不是一個非常讓人放心的數字，我們期待看到的是一個無限趨近於0的數，但好歹是有了這樣一個數，才給了人一點起碼的信心。

在此之後，包括美國的射電望遠鏡干涉陣「央斯基甚大陣」、日本的光學望遠鏡「昴星團」、歐南台在智利的「甚大望遠鏡」等全球20多架望遠鏡也加入了觀測，全面的記錄了這個正處於活躍期的耀變體、高能宇宙線與高能中微子策源地在各個波段上的信息。

圖片來源：Icecube/NSF

尾聲

前面留了個伏筆，說本次把高能中微子事件和耀變體做了關聯，是認證了「一種」產生高能中微子的天體物理機制。實際上人們長久以來猜測的可能產生高能中微子的天體物理機制並不只有超大質量黑洞的相對論性噴流這一條，證明了這一種，並不必然說明其他的機制就不行了，也許只是尚未被發現而已。

在這張處處「高能」的清單上，陳列的還有太陽耀斑爆發、脈衝星星風、超新星爆發，恆星級小質量黑洞形成的「微型類星體」、X射線雙星，以及伽馬射線暴等機制。這些，都還有待冰立方在未來與全球望遠鏡合作進行進一步探索。

在過去的一年中，引力波和電磁波、中微子和電磁波的聯合觀測都已經成為現實。看向未來，在多信使天文學的狂歡盛宴中，引力波和中微子的邂逅也並非完全不可期待。也許要再等十年，也許就在明天。誰知道呢？

作者名片

排版：小爽

題圖來源：Icecube/NSF

參考文獻：

[1]Charles D. Dermer, 2007, JPCS, 60, Best-Bet Astrophysical Neutrino Sources

[2]Charles D. Dermer & Govind Menon, 2009, Princeton University Press, High Energy Radiation from Black Holes - Gamma Rays, Cosmic Rays, and Neutrinos

[3] Gustavo E. Romero et al., 2017, SSR, 207, 5, Relativistic Jets in Active Galactic Nuclei and Microquasars

[4] The IceCube et al., 2018, Science, 361, eaat1378, Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A

本文首發於果殼旗下「我是科學人iScientist」（原「果殼科學人」）。本文另有一個加長版，包含更多技術細節，尤其是關於中微子探測器具體原理的一大段，在這裡為精簡篇幅刪掉了。有興趣可以查看：https://www.zhihu.com/question/284995718/answer/441074888

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