作者：劉博洋

編輯：小柒

《科學(xué)》雜志剛剛發(fā)布了南極“冰立方”中微子望遠(yuǎn)鏡（IceCube）和其他望遠(yuǎn)鏡聯(lián)手發(fā)現(xiàn)一顆極高能中微子并定位其來源的消息。

這是啥情況？

它是哪來的？

這對(duì)天文學(xué)發(fā)展又意味著什么呢？

太長(zhǎng)不看版

2017年9月22日，南極 “冰立方”望遠(yuǎn)鏡探測(cè)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(gè)正處在活躍狀態(tài)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(rèn)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(lián)測(cè)，觀測(cè)天文學(xué)的“新常態(tài)”來了。

1、尋找中微子源

中微子一種質(zhì)量非常小的基本粒子，比電子還要輕大約兩百萬倍。它經(jīng)常產(chǎn)生于各種粒子相互轉(zhuǎn)化的過程中，產(chǎn)生后以接近光速飛行，幾乎和任何物質(zhì)都不發(fā)生作用。

中微子在上世紀(jì)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(jì)中葉，人們?cè)噲D解決太陽能源機(jī)制問題的過程中，逐漸明確的意識(shí)到，太陽內(nèi)部核反應(yīng)可以產(chǎn)生中微子。1970年代，兩位天文學(xué)家首次通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了太陽中微子的存在。太陽成為了人們確認(rèn)的首個(gè)能夠發(fā)射中微子的天體。1987年，人們?cè)阢y河系的衛(wèi)星星系“大麥哲倫云”（LMC）中觀測(cè)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(fā)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(dá)地球前三個(gè)小時(shí)，分布在全球各處的幾臺(tái)中微子探測(cè)器不約而同的探測(cè)到一波中微子信號(hào)。超新星 1987A，成為了人們確認(rèn)的第二個(gè)中微子來源天體。

大麥哲倫云星系中的超新星1987A的遺跡。圖片來源：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝，Noel Carboni 處理

但此后三十年，人們?cè)僖矝]有確認(rèn)天空中哪一個(gè)具體的中微子源。直到現(xiàn)在。而且這次冰立方探測(cè)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(shù)來源于質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，這種反應(yīng)釋放出的中微子能量峰值位于大約 0.3 MeV 處。而1987A超新星爆發(fā)前，日本神岡等中微子探測(cè)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(dāng)于太陽中微子平均能量的十億倍，和 1987A 中微子平均能量的數(shù)千萬倍。而發(fā)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。

2、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，是什么讓如此渺小的中微子可以擁有堪比宏觀物體的巨大的動(dòng)能？

宇宙中很多極端的現(xiàn)象，要找一個(gè)罪魁禍?zhǔn)椎脑?，黑洞都難辭其咎。極高能中微子也是如此。

上世紀(jì)60年代，射電天文學(xué)的發(fā)展為天文學(xué)打開了嶄新的電磁波段窗口，一系列影響深遠(yuǎn)的新天體、新現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，其中就包括“類星體”，這種看著像是恒星、但其實(shí)不是恒星的東西。類星體和其他幾種另外發(fā)現(xiàn)的天體，究其本質(zhì)，我們現(xiàn)在將其統(tǒng)稱為“活動(dòng)星系核”（AGN）。而所謂活動(dòng)星系核，指的就是星系中央盤踞著的超大質(zhì)量黑洞和周邊結(jié)構(gòu)共同組成的這么一種天體系統(tǒng)。黑洞巨大的引力勢(shì)阱，讓掉落的物質(zhì)釋放出巨大能量。與此同時(shí)，系統(tǒng)向盤面兩側(cè)以接近光速噴出強(qiáng)大的噴流。

黑洞有“挨餓”和“饕餮”這兩種狀態(tài)，而即使對(duì)同一種狀態(tài)的黑洞，在不同角度下看過去，也會(huì)形成不同表象。

以超大質(zhì)量黑洞為核心的活動(dòng)星系核在不同狀態(tài)、不同觀測(cè)方向上呈現(xiàn)不同的特征。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——蝎虎座BL型天體，也就是正對(duì)著噴流、亮瞎你眼的那種情形。因?yàn)榱炼榷嘧儯€有一個(gè)更帥氣的名字，“耀變體”（Blazar）。在近光速噴薄而出的相對(duì)論性噴流中，裹挾的是無數(shù)質(zhì)子等粒子。這正是每時(shí)每刻都在轟擊地球的“宇宙線”的成分。其中的高能質(zhì)子在前進(jìn)中，會(huì)時(shí)不時(shí)發(fā)生一些意外：它可能偶遇一顆光子并發(fā)生碰撞，一種可能結(jié)果是高能質(zhì)子損失部分能量，同時(shí)制造出一個(gè)新的粒子，π介子。這是一種質(zhì)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(huì)進(jìn)一步衰變成μ子（一會(huì)兒還會(huì)用到這個(gè)東西）和一種中微子（μ中微子）；而不帶電的π介子則會(huì)衰變成光子?；⒏笩o犬子，相對(duì)論性噴流噴出高能質(zhì)子，高能質(zhì)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(shí)我們?cè)缇推诖?，高能中微子和伽馬射線，可以一同閃耀。

3、南極，冰井深

中微子探測(cè)器是怎么“探測(cè)”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(qiáng)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?yàn)槿跸嗷プ饔玫淖饔镁嚯x極短、作用截面極小，很難真正發(fā)生碰撞。但常言道（誤），“如果你看的不夠清楚，要么是你站的不夠近，要么是你口徑不夠大”，只要肯堆料，總是可以解決的。日本神岡實(shí)驗(yàn)用了一個(gè)16米高的罐子裝了3000噸純凈水，而它的升級(jí)版，“超級(jí)神岡”，用一個(gè)40米高的大罐子裝了50000噸純凈水，來作為探測(cè)介質(zhì)。2002、2015年兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，均出自使用它們對(duì)中微子進(jìn)行的研究。

超級(jí)神岡探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來源：S.Fukuda 等。但畢竟太陽離這么近、1987A 離的也不算很遠(yuǎn)，它們發(fā)出的中微子流量之大，用（超級(jí)）神岡這么大的罐子就能捕捉的到。而預(yù)期中高能中微子的來源，那些遙遠(yuǎn)的活動(dòng)星系核，動(dòng)輒離我們數(shù)十億光年之遙，它們產(chǎn)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。盡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(gè)巨無霸中微子探測(cè)器。南極是地球上唯一保有深達(dá)數(shù)公里純凈冰層的地方，這里是建造公里級(jí)大型中微子探測(cè)器的不二選擇。于是“冰立方”登場(chǎng)了。

圖片來源：Icecube/NSF厚達(dá)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(gè)用于探測(cè)中微子產(chǎn)物信號(hào)的光學(xué)傳感器，構(gòu)成了一個(gè)大約覆蓋一立方公里范圍的傳感器陣列。

圖片來源：Icecube/NSF

當(dāng)若干來自宇宙深處的高能中微子勞師遠(yuǎn)征闖入“冰立方”附近，偶爾會(huì)有個(gè)別不幸的μ中微子與冰或基巖中的質(zhì)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生一個(gè)高能的μ子。以近光速運(yùn)動(dòng)的高能μ子在冰中穿行的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)跑的比冰里面的光速還要快了，就像超音速飛機(jī)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(lán)光。而那些鑲嵌在冰中的光子傳感器，隨距離μ子路徑的遠(yuǎn)近，先后接收到強(qiáng)弱不等的藍(lán)光信號(hào)，匯總起來，就是這樣的圖景：

圖：Icecube/NSF據(jù)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范圍，跟月亮覆蓋的天空面積差不多大。

4、多信使的盛宴

現(xiàn)代天文學(xué)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(gòu)成的電磁波，引力波，以及中微子、宇宙線等實(shí)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(tài)下，都會(huì)在各種“信使”以至各種“波段”呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)。

所以在當(dāng)代，如果還像以前那樣只用個(gè)別波段、個(gè)別信使對(duì)天體進(jìn)行研究，不免有盲人摸象之感。尤其是對(duì)于很多高能天體物理事件，目標(biāo)源以天甚至更短的時(shí)標(biāo)為單位快速變化，觀測(cè)的機(jī)遇之窗稍縱即逝。在這種時(shí)候，各自操持不同觀測(cè)設(shè)備的全球天文學(xué)家們，會(huì)一齊撲到突發(fā)事件上面，以求留下珍貴數(shù)據(jù)。以這次高能中微子事件為例。2017年9月22日世界時(shí)20:54事件發(fā)生后，冰立方團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到這很可能是一起天體物理起源的事件。僅約4小時(shí)之后，冰立方團(tuán)隊(duì)就在“伽馬射線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)”（又名“時(shí)變天文網(wǎng)絡(luò)”）中發(fā)布了事件報(bào)告，尋求全球天文設(shè)備的跟進(jìn)觀測(cè)支持。

費(fèi)米伽馬射線衛(wèi)星。圖片來源：NASA/Aurore Simonnet, Sonoma State University，繪制者 Sandbox Studio

最先投入響應(yīng)的是一大波經(jīng)常需要面對(duì)緊急高能事件的望遠(yuǎn)鏡，其中在本次事件中做出了尤其主要貢獻(xiàn)的，是專門監(jiān)測(cè)高能伽馬射線的費(fèi)米衛(wèi)星，它在多年巡天工作中，已經(jīng)掌握了全天高能目標(biāo)的完整源表。所以這次冰立方的估計(jì)位置范圍一出來，費(fèi)米團(tuán)隊(duì)馬上就發(fā)現(xiàn)這個(gè)范圍內(nèi)確實(shí)有一個(gè)已知的耀變體存在。而且因?yàn)橘M(fèi)米衛(wèi)星迄今已經(jīng)發(fā)射十年，它在注意到這個(gè)源“有問題”之后，可以回頭查閱檔案數(shù)據(jù)，看看它之前表現(xiàn)的是否正常。一查便知：早在2017年4月開始，這個(gè)源就已經(jīng)開始變亮了。而在本次事件前后兩周的時(shí)間內(nèi)，它更是比“正常”亮度要亮了6倍。利用費(fèi)米衛(wèi)星的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合冰立方的中微子監(jiān)測(cè)歷史記錄，冰立方科學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)算出僅僅由于巧合而導(dǎo)致本次事件的中微子與這么亮的一個(gè)耀變體剛好處在同一方向的可能性：14%。說實(shí)話這并不是一個(gè)非常讓人放心的數(shù)字，我們期待看到的是一個(gè)無限趨近于0的數(shù)，但好歹是有了這樣一個(gè)數(shù)，才給了人一點(diǎn)起碼的信心。在此之后，包括美國的射電望遠(yuǎn)鏡干涉陣“央斯基甚大陣”、日本的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“昴星團(tuán)”、歐南臺(tái)在智利的“甚大望遠(yuǎn)鏡”等全球20多架望遠(yuǎn)鏡也加入了觀測(cè)，全面的記錄了這個(gè)正處于活躍期的耀變體、高能宇宙線與高能中微子策源地在各個(gè)波段上的信息。

圖片來源：Icecube/NSF

5、尾聲

前面留了個(gè)伏筆，說本次把高能中微子事件和耀變體做了關(guān)聯(lián)，是認(rèn)證了“一種”產(chǎn)生高能中微子的天體物理機(jī)制。實(shí)際上人們長(zhǎng)久以來猜測(cè)的可能產(chǎn)生高能中微子的天體物理機(jī)制并不只有超大質(zhì)量黑洞的相對(duì)論性噴流這一條，證明了這一種，并不必然說明其他的機(jī)制就不行了，也許只是尚未被發(fā)現(xiàn)而已。

在這張?zhí)幪帯案吣堋钡那鍐紊?，陳列的還有太陽耀斑爆發(fā)、脈沖星星風(fēng)、超新星爆發(fā)，恒星級(jí)小質(zhì)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(jī)制。這些，都還有待冰立方在未來與全球望遠(yuǎn)鏡合作進(jìn)行進(jìn)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(lián)合觀測(cè)都已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)?？聪蛭磥?，在多信使天文學(xué)的狂歡盛宴中，引力波和中微子的邂逅也并非完全不可期待。也許要再等十年，也許就在明天。誰知道呢？