天文學突破｜來自40億光年外的高能「幽靈粒子」

去年九月，一位來自宇宙深處的信使，到訪了位於南極冰蓋之下早已在等待它的冰立方（IceCube）。在迅速地追蹤了這位訪客的方向之後，物理學家幸運地在另一台環繞地球運行的望遠鏡中，捕捉到了一股來自同一方向的極高能輻射流。

沒錯，這位遙遠的訪客便是科學家苦苦追尋的「高能中微子」，這一次我們終於追蹤到了它的宇宙源頭，解決了困擾天文學家一個世紀之久的謎團。

○ 科學家終於解決了高能中微子的起源之謎。| 圖片來源：Maciej Rebisz/Quanta Magazine

中微子是幾乎沒有質量的亞原子粒子，它們沒有電荷，很少與周圍環境發生相互作用，因此也被稱為「幽靈粒子」。但事實上，每一秒鐘，都有數以萬億計的「幽靈粒子」在不知不覺中穿過我們的身體。

大多數的中微子都來自太陽。但是還有一小部分中微子擁有更高的能量，它們從非常深的深空中飛到我們身邊。中微子固有的飄忽不定的屬性，阻礙了天文學家確定這些宇宙遨遊者的起源，直至今日……

南極的IceCube中微子觀測站和其他一些儀器的觀測，讓研究人員追蹤到了一個遙遠耀變體（Blazar）中的宇宙中微子。耀變體是眾多活躍星系中的一種，也被稱為活動星系核（AGN），在它的中央是一顆快速旋轉的超大質量黑洞。

○ 在大部分星系的中心——包括我們的銀河系——都包含著一個質量為太陽數百萬甚至是數十億倍的巨大黑洞。在一些星系中，這個超大質量黑洞的周圍會形成一個由氣體、塵埃和恆星碎片組成的吸積盤。當盤中的物質落入黑洞時，引力能會轉化為光，使這些星系的中心非常明亮，因此這些星系被稱為AGN。有一些AGN會發射出以接近光速運動的相對論性噴流。科學家將它們稱之為類星體。但是當一個星系產生的噴流正好指向地球，它就被稱為耀變體。它跟類星體一樣，只是指向了不同的角度。| 圖片來源：Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

不僅如此，與宇宙中微子攜手同行的還有宇宙射線，宇宙射線是不斷地撞擊地球的高能帶電粒子。所以，新的發現認為耀變體至少也是速度最快的一些宇宙射線的加速器。

天文學家自1912年首次發現宇宙射線時，就對它們充滿了好奇。但這些粒子的帶電屬性令它們受挫，這使得宇宙射線在快速掠過太空時，會受到各種天體不同的牽引。最終能被成功探測的是那個能徑直完成太空旅行的幽靈粒子。

○ 耀變體會加速質子（p），進而產生π介子，而π介子又會產生中微子（ν）和伽瑪射線。圖中的藍色線條代表了中微子的傳播路徑，穿過了南極洲；而伽瑪射線的路徑由粉色線條表示。| 圖片來源：IceCube/NASA

IceCube中微子天文台的首席科學家Francis Halzen在接受space.com的採訪時說：「對宇宙射線來源的尋找已經持續了一個多世紀。現在，我們終於找到了一個。」

眾人之力

IceCube位於南極冰蓋下的2.4公里深處，由86根裝備了感測器的電纜組成，每根電纜包含有60個籃球大小的「數字光學模塊」。這些光學模塊配備有靈敏的光探測器，用於搜尋宇宙中最極端的天體事件輻射出的高能中微子。

○ 位於南極洲的IceCube。| 圖片來源：IceCube/NSF

這些探測器是被設計來探測中微子與原子核相互作用後發射的特徵藍光。（這種藍光由反應產生的次級粒子發射。覆蓋南極的冰蓋會阻止中微子以外的粒子抵達探測器進而污染數據。）Halzen說，探測到中微子是罕見的事件，IceCube每年只能探測到幾百個中微子。

○ 當中微子穿越冰層時會發出微弱的光，這種光能被IceCube的光電探測器捕捉到，並追蹤到這些中微子在天空中的起源。| 圖片來源：IceCube

然而，2017年9月22日，IceCube探測到了另一種宇宙中微子。這種中微子能量極高，大約為300TeV——幾乎比質子繞大型強子對撞機（LHC，地球上最強大的粒子加速器）加速一圈的能量高50倍。

在檢測的1分鐘內，儀器發出了自動通知，提醒其他天文學家注意發現，並接力探測可能是粒子源的那一小塊天空。

整個團隊回應了：地面上與天空中近20台望遠鏡，橫跨電磁波的各個波段，從低能量射電波到高能伽瑪射線，探測到了那片天區。聯合觀測發現中微子源是已知的、被稱為TXS 0506+056的耀變體，距離地球大約40億光年。

○ 2017年9月22日，IceCube向國際天文聯合會報告了探測到高能中微子的預警。在地球和太空中的約20個天文台進行了後續觀測，這讓科學家們能夠確定什麼是高能中微子的來源，從而也就確定了宇宙射線的來源。除了中微子之外，通過電磁波譜進行的研究還包括在伽馬射線、x射線、光學和射電輻射波段進行的觀測。| 圖片來源：Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

例如，一些不同儀器——包括NASA地球軌道費米伽瑪射線太空望遠鏡，以及加那利群島的MAGIC望遠鏡——的後續觀測也發現了源自TXS 0506+056的劇烈伽瑪射線暴。

另外，IceCub團隊瀏覽了檔案數據，並發現了數十個似乎來自同一耀變體的宇宙中微子。這些粒子是探測器在2014年底到2015年初檢測到的。

IceCube的資深科學家Albrecht Karle在一份聲明中說道：「所有的拼圖都彼此吻合。我們檔案數據中的中微子耀斑成為一份獨立的證據。連同其他天文台的觀測，這些證據有力地表明，這個耀變體正是高能中微子，也就是高能宇宙射線源。」

多信使天體物理學的崛起

耀變體是一種特殊類型的高光度活動星系，它能噴射出光和粒子的雙噴流束，其中一束直接對準地球。這就是為什麼在我們看來耀變體如此明亮的部分原因。天文學家已經在宇宙中發現了數千個耀變體，沒有一個像TXS 0506+056一樣向我們發射中微子。Halzen說：「這一源頭具有特別之處，我們必須弄清楚它是什麼。」

○ 耀變體TXS 0506+056位於獵戶座方向上（圖中淺藍色靶心）。| 圖片來源：Silvia Bravo Gallart/ Project_WIPAC_Communications

這只是從新結果衍生出的眾多問題之一。例如，Halzen也想知道加速機制是什麼：耀變體到底是如何讓中微子和宇宙射線達到如此驚人的速度的？基於新研究中顯示出的「多信使天體物理學」（用至少兩種不同類型的信號來探索宇宙）的力量，Halzen對在不久的將來能解答這些問題表示樂觀。

這是多信使天文學的又一個里程碑。（第一個來自2017年10月，當時科學家宣布，他們通過觀測一個劇烈的碰撞事件發射出的電磁輻射和引力波，對兩顆超高密度的中子星碰撞進行了分析。）從這次多信使觀測事件中我們可以學到很多：

• 耀變體已經被證明至少是宇宙射線的一個來源。
• 為了加速中微子，需要衰變的π介子，而π介子是由加速的質子產生的。
• 這為黑洞加速質子提供了第一個確鑿證據。
• 這也證明了耀變體TXS 0506+056是宇宙中最明亮的光源之一。
• 最後，通過伴隨中微子的宇宙射線，我們可以確定，宇宙中微子與宇宙射線至少有時候具有共同的起源。

○ 多信使天文學（中微子、引力波和電磁波）時代的到來，能夠幫助我們更好的探索宇宙。| 圖片來源：IceCube

美國國家科學基金會（NSF）主任France Cordova在同一份聲明中說：「多信使天體物理學的時代已經到來。每一個信使——從電磁輻射到引力波再到現在的中微子，都讓我們對宇宙有了更全面的了解，也讓我們對天空中最強大的天體和事件有了更重要的新見解。」

編輯：梁金/萌大統領

參考來源：

[1] https://www.space.com/41146-neutrino-source-blazar-cosmic-rays.html

[2] M. G. Aartsen et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science. Published online July 12, 2018. doi: 10.1126/science.aat1378.

[3] M. G. Aartsen et al. Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science. Vol. 361, July 13, 2018, p. 147. doi: 10.1126/science.aat2890.

[4] F. Córdova et al. NSF press conference on breakthrough in multimessenger astrophysics. National Science Foundation headquarters, Alexandria, Va., July 12, 2018.

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