在眾多亞原子粒子中，中微子是一個(gè)奇怪的存在。與人們熟知的電子和質(zhì)子等粒子不同，幽靈般的中微子幾乎不會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生任何相互作用：它們能直接穿過(guò)行星，就好像行星根本不存在一樣。這就使得探測(cè)它們變得極其困難，更難的則是要從茫茫宇宙中找出這些中微子究竟來(lái)自何方。不過(guò)，最近發(fā)表在《科學(xué)》上的一項(xiàng)研究，找到了這些亞原子粒子在銀河系之外的一處來(lái)源。

天文學(xué)家首次從NGC 1068星系確切地探測(cè)到了中微子，這個(gè)星系的中心有一個(gè)巨大且活躍的黑洞。中微子是在黑洞的“不歸點(diǎn)”——事件視界——之外產(chǎn)生的，我們還不清楚它具體是如何產(chǎn)生的，但此前一直有幾種可能的理論解釋?？茖W(xué)家希望這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅能改變他們對(duì)NGC 1068的認(rèn)知，還能改變他們對(duì)所有此類星系的認(rèn)知。此外，他們認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)還可能揭示天空中隨處可見的微弱中微子光芒的來(lái)源。

落向黑洞的物質(zhì)首先會(huì)形成一個(gè)扁平的、圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤。物質(zhì)間的摩擦?xí)盐e盤加熱到驚人的高溫，使它發(fā)出耀眼的光芒，亮度甚至?xí)^(guò)整個(gè)宿主星系。我們將這種星系稱為“活躍星系”，它們是宇宙中最亮的天體之一。

但對(duì)于NGC 1068來(lái)說(shuō)，要探測(cè)到這種耀眼的光芒是很難的，因?yàn)榛旧纤械墓夂托盘?hào)都被厚厚的、不透明的宇宙塵埃云吸收了。在這種情況下，中微子最令人困惑的特性反而成為了優(yōu)點(diǎn)：它們可以穿透這些塵埃云，飛入太空，最終到達(dá)地球。不過(guò)，我們依然要解決探測(cè)的難題——當(dāng)中微子毫無(wú)痕跡地穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，該如何測(cè)量它們呢？好消息是，并非所有的中微子都會(huì)如此，雖然情況非常罕見，但確實(shí)有些中微子會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，不過(guò)要觀測(cè)到這種現(xiàn)象，需要借助非常特殊的天文臺(tái)。

冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube Neutrino Observatory）就是這樣一個(gè)天文臺(tái)，它幾乎正好位于地球的南極點(diǎn)?！氨⒎健辈粚儆跇?biāo)準(zhǔn)的天文設(shè)施，它不像天文望遠(yuǎn)鏡那樣使用反射鏡來(lái)收集并聚焦來(lái)自宇宙天體的光線。相反，它采用了一系列相對(duì)簡(jiǎn)單的光學(xué)傳感器，它們被數(shù)十根垂直的線懸掛著，形成一個(gè)由5000多個(gè)傳感器組成的三維陣列，可以探測(cè)閃光發(fā)生的位置和時(shí)間。

特別的是，“冰立方”深埋在南極洲冰層一千米之下。穿過(guò)冰層的中微子有很小概率撞上冰層中的氧原子或氫原子的原子核。這種撞擊實(shí)際上是非常罕見的：對(duì)于地球上任意立方厘米大小的物質(zhì)，每秒鐘都有數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子從中穿過(guò)，但要隔幾天才能捕捉到一次中微子與這些物質(zhì)發(fā)生的可測(cè)量的物理相互作用。

中微子和原子核發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速的亞原子“彈片”粒子，它們以略低于光速的速度遠(yuǎn)離碰撞點(diǎn)，然后穿過(guò)冰層。最有趣的是，它們?cè)诒鶎又写┬械乃俣葧?huì)超過(guò)光。不過(guò)，這并沒(méi)有打破物理定律。真空中的光速的確是宇宙中的速度極限，但光在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)速度會(huì)慢下來(lái)。因此，粒子在真空中的運(yùn)動(dòng)速度不可能超過(guò)光速，但它們?cè)谖镔|(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度卻可以比光在物質(zhì)中的速度更快。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“光爆”，就好像物體以超音速穿過(guò)空氣時(shí)產(chǎn)生的沖擊波一樣。這些速度超過(guò)光的事件表現(xiàn)為明亮的藍(lán)光閃爍，也可以稱為切倫科夫輻射。透過(guò)透明的南極冰層，我們可以在一定距離內(nèi)觀測(cè)到它們。當(dāng)然，“冰立方”的探測(cè)器也可以捕捉到它們。

這種現(xiàn)象讓科學(xué)家能夠探測(cè)到來(lái)自太空的中微子事件，同時(shí)也會(huì)遇到一些干擾，因?yàn)槠渌录矔?huì)產(chǎn)生相似的信號(hào)。例如宇宙中其他來(lái)源的亞原子粒子——宇宙射線——撞擊地球大氣層時(shí)就會(huì)產(chǎn)生類似的閃光，從而混淆觀測(cè)結(jié)果。不過(guò)，科學(xué)家可以用一種巧妙的方法來(lái)區(qū)分這兩種信號(hào)：地球本身就可以充當(dāng)一個(gè)巨大的過(guò)濾器。來(lái)自太空的中微子可能來(lái)自各個(gè)方向，包括穿透地球。而宇宙射線只會(huì)從南極天文臺(tái)上方的天空射來(lái)，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法像中微子那樣直接穿過(guò)地球。“冰立方”的探測(cè)器可以過(guò)濾掉來(lái)自上方的事件，從而確?？茖W(xué)家只保留來(lái)自宇宙的中微子撞擊。

“冰立方”總共探測(cè)到了數(shù)百萬(wàn)個(gè)中微子，但似乎最多只有幾百個(gè)是來(lái)自真正的宇宙天體。宇宙中的某些事物必然是這些中微子的來(lái)源。問(wèn)題是，它們是什么？

冰立方實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)由科學(xué)家、工程師、數(shù)據(jù)分析師等專家組成的龐大研究團(tuán)隊(duì)，他們精心分析了探測(cè)器從2011年到2020年間采集到的數(shù)據(jù)。研究人員利用捕捉到的閃光方向信息追蹤來(lái)自宇宙的中微子軌跡，他們發(fā)現(xiàn)天空中有幾個(gè)點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上似乎是中微子的主要來(lái)源。

那么，探測(cè)到最多中微子的來(lái)源究竟是哪里？在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所在的時(shí)間跨度內(nèi)，總共接收到了從NGC 1068方向發(fā)射過(guò)來(lái)的79個(gè)（~＋－20）中微子。

這個(gè)美麗的螺旋星系離我們相對(duì)較近——只有4700萬(wàn)光年，而且亮度足以用雙筒望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。對(duì)冰立方中微子的早期分析工作就指出，NGC 1068是一個(gè)可能的中微子來(lái)源。但當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)還不夠有力，不足以證實(shí)這一點(diǎn)，而最新的結(jié)果改變了這一狀況。

探測(cè)到這個(gè)活躍星系是中微子的確切來(lái)源是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。在天文學(xué)家眼中，中微子具有驚人的高能量——每個(gè)中微子的能量都超過(guò)了1太電子伏特，相當(dāng)于星系發(fā)出的可見光光子能量的數(shù)萬(wàn)億倍。要產(chǎn)生如此高能的粒子，需要一個(gè)極為高能的宇宙粒子加速器，而一個(gè)處于活躍進(jìn)食期的黑洞恰好能為它提供幾種可能的來(lái)源。

一種可能是，在圍繞著黑洞的吸積盤上下方都有著溫度極高的電離氣體湍流，它具有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，可以將巨大的能量注入粒子，將它們加速到接近光速。另一種可能性是吸積盤中的磁場(chǎng)會(huì)在黑洞附近發(fā)生扭曲，形成龍卷風(fēng)般的雙重漩渦，這種漩渦被稱為噴流，可以將粒子高速拋出。此外，帶電粒子噴流相互撞擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊波也能為高能中微子提供所需的能量，而NGC 1068中就存在這種噴流。

目前在地球上探測(cè)到的來(lái)自NGC 1068的中微子不到100個(gè)，不過(guò)它們?cè)诖┰胶棋钪婵臻g時(shí)很可能會(huì)被稀釋。有鑒于此，天文學(xué)家推斷黑洞周圍產(chǎn)生的中微子總數(shù)應(yīng)該非常巨大，它們攜帶的總能量可能是太陽(yáng)釋放的約十億倍。

這些觀測(cè)結(jié)果還為另一個(gè)謎團(tuán)的答案提供了重要線索。從宇宙各個(gè)角落來(lái)到地球的中微子在天空中形成了一種背景輝光，但它們的來(lái)源一直難以確定。通過(guò)“冰立方”的數(shù)據(jù)，我們還發(fā)現(xiàn)了來(lái)自其他幾個(gè)活躍星系的中微子（盡管統(tǒng)計(jì)上的確定性不如NGC 1068），而在整個(gè)宇宙中這樣的星系多達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)。新數(shù)據(jù)表明，如果這些星系也像NGC 1068那樣發(fā)射出中微子，那么這些更遙遠(yuǎn)的星系就可能是中微子輝光的來(lái)源，這與我們?cè)谝雇砜吹降你y河類似，它也是由天空中各個(gè)恒星發(fā)出的光相互混淆在一起，從而形成我們?nèi)庋劭梢姷木跋蟆?/p>

就在不久之前，我們還只知道兩個(gè)確定為中微子來(lái)源的天體：一個(gè)是太陽(yáng)，其核心的聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中微子；另一個(gè)是超新星SN 1987A，它距離地球相對(duì)較近，曾發(fā)生過(guò)一次短暫的中微子閃光，然后就消失了。

宇宙中每一個(gè)大星系的核心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，并且它們都有可能處于活躍狀態(tài)。但是，盡管它們?cè)谟钪嬷蟹浅Ｆ毡?，卻難以觀測(cè)。天文學(xué)家已經(jīng)探測(cè)到其中至少一個(gè)，甚至是幾個(gè)黑洞釋放出的中微子，這為我們了解這些巨大的怪物打開了一扇新的窗口。

（撰文：菲爾·普萊（Phil Plait）?翻譯：趙劍琳）

（本版圖文由《環(huán)球科學(xué)》雜志社供稿）