「精靈」粒子極可能源於遙遠耀變體
位於南極地下1.5千米的冰立方中微子天文台。圖片來源：《科學》雜誌官網
去年9月，來自太空的一個亞原子粒子宛若「落入凡間的精靈」，橫穿南極洲，猶如在平靜湖面上投下一顆石子，激起陣陣漣漪，科學家爭相尋找其源頭。今年7月12日，數十個科研團隊發表文章，認為這個亞原子粒子可能源自一個遙遠的耀變體（Blazar）。
研究人員稱，新發現是方興未艾的多信使天文學的又一次勝利，不僅有助於科學家解開宇宙中最大的謎團之一——神秘的宇宙射線「鄉關何處」，也將改變人類對宇宙的看法。
「落入凡間的精靈」拉響警報
故事要從去年9月說起。
2017年9月22日，位於南極洲極點處的冰立方（IceCube）中微子天文台探測到一個能量為290TeV的中微子。相比之下，目前能量最高的加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機只能把粒子加速到7TeV。
隸屬於美國國家科學基金會（NSF）的冰立方於2010年竣工，由分布在1立方千米範圍內的86串光感測器構成，每串60個，位於冰層下1.5千米深處。當中微子撞擊冷凍水分子的核時，會產生帶電粒子，粒子減速時會發出切倫科夫光，被冰立方捕捉到。如果產生的是繆子，它的徑跡又直又長，適合於根據光的位置、時間和亮度，準確重建出中微子的方向和能量。
據中國科學院高能研究所研究員曹俊介紹，冰立方的主要科學目標是藉助中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此，2016年，冰立方團隊建立了一個預警網路，希望集結不同波段望遠鏡之力，共同追捕中微子。觀測到上述那個孤單的「精靈」後43秒，冰立方從南極通過衛星鏈路向天文學家網路發送了一個警報，並將該中微子標記為IceCube-170922A。
幾個天文台最初沒有看到任何異常。6天後，美國國家航空航天局（NASA）費米伽瑪射線太空望遠鏡（不斷掃視天空，包括監視約2000個耀變體）團隊報告說，他們發現名為「TXS 0506+056」的耀變體特別明亮，其距離冰立方團隊建議的中微子方向僅0.1°，幾個月前就已開始發出耀斑。很快，十幾台望遠鏡「集中火力」研究了這個耀變體。
英國《自然》雜誌官網12日報道稱，來自世界各地的多個團隊在當日發表的至少7篇論文中描述了這一研究，這是科學家首次將一個遙遠的星系視作高能中微子的來源。
義大利帕多瓦天文台西蒙娜·派亞諾團隊藉助世界上最大的光學望遠鏡——10.4米口徑的加那利大型望遠鏡，發現該耀變體距地球約37.8億光年。
有助揭示高能宇宙射線起源
曹俊解釋，耀變體是活動星系核的一種，是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質而產生的劇烈天文現象。黑洞將吸積物質的引力能，或者黑洞的轉動能量，轉化為強大的相對論噴流。如果噴流指向觀察者視線，就會顯得特別明亮，稱為耀變體。
《科學》雜誌12日報道稱，產生中微子的耀變體還可以幫助解決天文學中一個百年未解之謎：時不時拜訪地球的極高能量的質子和原子核——宇宙射線從何而來？這些宇宙射線是自然界中能量最高的粒子，比地球上粒子加速器產生的能量高出100萬倍，但其來源一直是個謎，因為宇宙射線所帶的電荷會使它們的行進路徑發生彎曲。
目前科學家列出的「幕後推手」名單包括中子星、伽馬射線爆發、超新星和某些星系中心的黑洞等，但無論其起源何處，高能中微子都很可能作為副產物出現。中微子呈電中性，幾乎沒有質量，移動速度接近光速，且很少與其他物質相互作用，以直線行進。這意味著，可以通過中微子的路徑，追溯出創造它們的源頭事件。長期以來，天文學家一直很期待通過中微子揭示神秘的宇宙射線源頭，「中微子給我們指出了一條穿越迷霧的路」。
如果冰立方團隊是正確的，那麼，這個耀變體可能是這些宇宙射線的首個「驗明正身」的來源。
結果還需更堅實的證據
然而研究人員指出，這一高能中微子與耀變體之間的關聯並非「穩若磐石」。曹俊稱，這次觀測到中微子和耀變體的相關性達到了99.9%，約為3.5倍標準偏差，離科學發現所需的5倍標準偏差的嚴格標準（即出錯的可能只有350萬分之一）還差一點。
美國紐約大學粒子物理和數據分析專家凱爾·克蘭麥表示，上述數據共同確定了可能的來源，但「觀察並非確定無疑，需要更多後續行動予以證實」。
美國鹽湖城猶他大學的皮埃爾·斯科爾斯基說：「新觀測令人興奮，我非常希望它能得到證實，如果最終獲得證實，那將是革命性的。」
《科學》雜誌稱，研究團隊希望能將冰立方的體積增大10倍，光電探測器數量增加一倍，使其可探測到更多中微子並提高指向精確度。
曹俊也滿懷希望地表示：「即便現在的結果不足以讓人信服，未來也肯定能毫無爭議地確定答案。」
多信使天文學的勝利
最新研究也是方興未艾的多信使（multi-messenger）天文學的又一次勝利。多信使天文學結合來自不同類型天文台的信號，以確定天體事件的細節。
美國太空網12日報道稱，多信使天文學始於2017年10月，那時，研究人員宣布，他們觀測到了引力波和一對正在合併的中子星發出的光；而在本次研究中，中微子望遠鏡和其他儀器在無線電、光學、伽瑪等多個波段，對該耀變體進行了研究。
將來自不同信使（引力波、中微子等）的信息結合在一起，將有助於科學家進一步揭開宇宙的謎團。NSF負責人弗朗斯·科爾多瓦說：「多信使天文學的時代已到來。每個信使，從電磁波到引力波，現在是中微子，都有助於我們更好地理解宇宙以及其最高能的天體和事件。」（劉霞）
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