探索宇宙粒子加速器的突破，科學家首次找到了高能宇宙中微子的來源

探索宇宙粒子加速器的突破，科學家首次找到了高能宇宙中微子的來源

利用國際組織的天文網，科學家首次發現了高能宇宙中微子源，這是一種幽靈般的基本粒子，在宇宙中穿行數十億光年，不受恆星、行星和整個星系的影響。2017年9月22日，在南極的冰立方中微子望遠鏡記錄下的一個中微子觸發了聯合觀測運動。地球上和太空中的望遠鏡能夠確定，這個奇異的粒子起源於30億光年以外的獵戶座星系，在那裡，一個巨大的黑洞充當自然粒子加速器。來自18個不同天文台的科學家在《科學》雜誌上發表了他們的發現。此外，發表在《科學》雜誌上的第二項分析表明，先前由冰立方記錄的其他中微子來自同一來源。

德國的研究人員在這次觀測活動中發揮了關鍵作用，這是解決一個困擾了科學家們100多年的謎題的決定性一步，這個謎題就是所謂的宇宙射線的確切起源，即不斷轟擊地球大氣層的高能亞原子粒子。這是中微子天文學萌芽領域的一個里程碑。我們正在打開一扇通向高能宇宙的新窗口。「使用遍布全球的儀器進行的協同觀測運動也是多信使天文學領域的一項重大成就，那就是利用不同的信使，如電磁輻射、引力波和中微子，對宇宙物體進行研究。」

來自高能宇宙的信使

科學家期望高能中微子產生的一種方式是宇宙射線的一種副產品，宇宙粒子加速器可以產生這種物質，比如超大質量黑洞或爆炸恆星產生的物質漩渦。然而，與宇宙射線的帶電粒子不同，中微子是電中性的，因此當它們穿越空間時，它們不會因宇宙磁場而偏轉，這意味著它們的方向會直接指向它們的實際來源。此外，中微子幾乎沒有被吸收。德國冰立方網路的發言人，來自伍珀塔爾大學的Klaus Helbing說:「觀察宇宙中微子可以讓我們一瞥那些對電磁輻射不透明的過程。」宇宙中微子是高能宇宙的信使。

然而，證明中微子的存在是極其複雜的，因為大多數幽靈般的粒子穿過整個地球，沒有留下任何痕迹。只有在非常罕見的情況下，中微子才會與周圍環境發生相互作用。因此，它需要巨大的探測器才能捕捉到這些罕見的反應。美國威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin in Madison)領導的一個國際科學家聯盟為冰立方探測器在南極冰層上鑽了86個洞，每個洞有2500米深。在這些洞中，他們降低了5160個光感測器，分散在一立方千米的空間里。這些感測器記錄下了透明冰中罕見的中微子相互作用過程中產生的微小的閃光。

五年前，冰立方首次提供了來自外層空間深處高能中微子的證據。然而，這些中微子似乎來自天空的任意方向。「直到今天，我們還不知道它們的起源，」慕尼黑工業大學的Elisa Resconi說。「通過9月22日記錄的中微子，我們現在已經找到了第一個來源。」

從無線電波到伽馬射線

所討論的中微子的能量約為300太電子伏特，是世界上最大的粒子加速器——位於日內瓦郊外的歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(lhc)所產生質子的40多倍。在記錄到中微子後的幾分鐘內，冰立方探測器自動通知了許多其他天文觀測站。大量的這些粒子掃描了高能中微子產生的區域，掃描了整個電磁頻譜:從高能伽馬射線到可見光的x射線，再到無線電波。果然，他們第一次能夠將一個天體定位到高能宇宙中微子到達的方向。

「在我們的例子中，我們看到了一個活躍的星系，它是一個巨大的星系，中心有一個巨大的黑洞，」科沃斯基解釋道。巨大的「噴射」射向太空，與向黑洞吸入物質的巨大漩渦成直角。長期以來，天體物理學家一直懷疑這些噴流產生了相當大比例的宇宙粒子輻射。「現在我們找到了支持這種假設的關鍵證據，」Resconi強調說。

現在已經確定的活躍星系是一個所謂的「耀星」，一個活躍的星系，它的射流精確地指向我們的方向。利用DESY研究人員開發的軟體，由美國宇航局(NASA)運營的伽瑪射線衛星費米號(Fermi)在9月22日左右的時候，已經記錄到這顆名為TXS 0506+056的伽瑪射線衛星的活動急劇增加。現在，一個地球上的伽馬射線望遠鏡也記錄了它發出的信號。「在中微子的後續觀測中，我們也能在高能量伽馬射線的範圍內觀測到，使用了在加那利島拉帕爾馬的神奇望遠鏡系統，」DESY的Elisa Bernardini說，他協調了神奇的觀測。「伽瑪射線在能量上最接近中微子，因此在確定中微子產生的機理方面起著至關重要的作用。」貝爾納迪尼小組開發了利用伽瑪射線望遠鏡對中微子進行有效後續觀測的程序。

NASA的x射線衛星Swift和NuSTAR也記錄了布拉沙的爆發，以及伽瑪射線望遠鏡h.e.s.義大利航天局(ASI)的伽馬射線和x射線衛星AGILE，以及歐洲航天局(ESA)的Integral，都參與了後續觀測。總之，7個光學天文台(ASAS-SN, Liverpool, Kanata, Kiso Schmidt, SALT和Subaru望遠鏡，以及歐洲南部天文台的超大望遠鏡VLT)觀測到了活躍的星系，Karl G. Jansky超大陣列(VLA)研究了它在無線電頻譜中的活動。這就產生了一幅全面的火焰輻射圖，從無線電波到能量高達1000億倍的伽馬射線。

在檔案中搜索可以發現更多的中微子。

來自所有參與研究的團體的一個全球科學家團隊進行了徹底的研究，進行了一項複雜的統計分析，以確定中微子和伽瑪射線觀測之間的相關性是否只是一個巧合。DESY的Anna Franckowiak負責對各種不同的數據集進行統計分析，她解釋說:「我們計算出這只是巧合的概率大約是千分之一。」這聽起來可能不是很大，但也不足以平息物理學家的專業懷疑。

第二道調查糾正了這一點。冰立方的研究人員搜索了他們過去幾年的數據，尋找以前可能測量到的中微子來自現在已經確定的火焰方向。在2014年9月至2015年3月期間，他們確實發現了十多個來自TXS 0506+056方向的幽靈粒子的明顯剩餘，正如他們在同一版《科學》上發表的第二篇論文中所報道的那樣。這多餘的可能性僅統計離群值估計在1 5000年,「讓你豎起你的耳朵,」克里斯托弗·Wiebusch從亞琛工業集團已經注意到提示的多餘的中微子tx 0506 + 056的方向在前面的分析。「這些數據還能讓我們對來自這個源的中微子通量做出初步估計。」加上2017年9月的單一事件，冰立方數據現在提供了迄今為止最好的實驗證據，證明活躍的星系實際上是高能宇宙中微子的來源。

「我們現在對我們應該尋找的東西有了更好的理解。」這意味著我們將來可以更明確地找到這些來源，」Elisa Resconi說。Marek Kowalski補充說，「由於中微子是宇宙射線中帶電粒子的副產品，我們的觀察表明活躍的星系也是宇宙射線粒子的加速器。1912年維克多·赫斯發現了宇宙射線，一個多世紀後，冰立方的發現首次確定了這些高能粒子的具體的銀河系外來源。

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