中微子探測為天文學研究開啟了新的窗戶

刊登在最新一期《科學》雜誌上的二篇有關中微子探測的論文受到了國際媒體的熱情關注。新的發現發生在那遙遠的地方，在真正的天涯海角——南極極點，在千年凍結的冰原之下，有一座稱之為「冰立方」(IceCube)的中微子天文台。2017年9月22日該天文台的計算機測試到了能量高達300Tev的中微子，它比人類最強大的日內瓦大型強子對撞機產生的最大能級還要高30倍。

「冰立方」中微子天文台示意圖，實驗觀測主設備在南極冰層的1公里以下，地面建築是數據處理中心和辦公室。

當極高能量中微子到來時，冰立方實驗的領導者卡爾教授(Albrecht Karle)正在威斯康星大學麥迪遜分校的辦公室里為將要開始的南極之旅做準備。 冰立方每年檢測到大約50,000個中微子，但其中只有大約10來個處於非常高的能量，這通常表明它們來自銀河系之外的遙遠星系。被稱為IceCube-170922A的極高能中微子的出現讓平日不苟言笑的卡爾教授興奮不已，幾分鐘後冰立方天文台發出的特急警報傳遍全球相關天文台，請求對該事件進行協同觀測核對。

接到冰立方警報幾天之後，在Kanata工作的日本天文學家田中教授從數據分析中意識到中微子的來源指向了一個稱之為TXS 0506 + 056的星系，夾角僅差十分之二度。TXS 0506 + 056星系是四十年前德克薩斯州的射電望遠鏡首次觀測到的，正確地說它屬於耀變體(blazar)，這是一類極其活躍的星系，以其劇烈的輻射以及難以預測的行為而著稱，耀變體的核心是一個超大質量的黑洞。

田中教授與費米伽馬射線太空望遠鏡項目有合作，該望遠鏡每天掃描拍攝整個太空的伽馬射線圖像，十多年來積累了大量數據。田中搜索了費米太空望遠鏡的資料庫，不查不知道，一看嚇一跳，他發現TXS 0506 + 056星系自同年4月以來一直光芒閃耀。於是他立即發出了第二個警報，請求更多的天文台站對TXS 0506 + 056在伽馬射線和可見光範圍作更為詳細的觀察研究。

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes)是世界上解析度最高的高能伽馬射線望遠鏡系統，它位於大西洋中加那利群島，海拔約2200米，靠近非洲西北部，是西班牙飛地和自由港。得到警報後的幾天里，MAGIC地區一直霪雨霏霏。等到雲散霧開，MAGIC探測到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線，能量高達400GeV。

請看圖片2，圖中右上角是圖中央區的局部放大。粉紅色小方塊是TXS 0506 + 056星系的位置，蘭色小園是費米太空望遠鏡對伽馬射線源的定位區，黃色環線是MAGIC對伽馬射線源的定位區，灰色環線是「冰立方」對中微子源的定位區。從天空到地上探測到的高能伽馬射線與南極冰下探測到的高能中微子的發源區域高度重合，同時指向TXS 0506 + 056星系。

「冰立方」中微子天文台、費米太空望遠鏡和MAGIC伽馬射線望遠鏡的觀測數據顯示高能中微子和伽馬射線來源與TXS 0506 + 056星體位置高度重合。

隨後全世界有關天文台的長槍短炮全都瞄準了TXS 0506 + 056星系，收集到了從伽馬射線一直到可見光的各種頻譜的電磁輻射。有多達18個天文台測到了明確的信號，詳見圖片3。

對應於高能中微子IceCube-170922A，全球有18個天文台探測到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線和其它電磁輻射。圖中三角體代表太空望遠鏡，小園球代表地面天文台，藍色代表探測到信號，紅色代表沒有探測到信號。

冰立方中微子天文台位於南極極點，在冰川之下科學家們開鑿出了86個深達2800多米的豎井。在每個豎井中懸放了電纜，電纜上聯接了60個球型的數字光學感測器DOMs(Digital Optical Modules)。這些感測器從地面1500米以下依次排列直至深達2800米的豎井底部。位於地面1500米深處總共5160隻感測器構成了冰立方中微子探測的主體，這個正六方體探測陣列的容積約為一立方公里，相當於北京水立方的一千倍，這中間的冰水足可灌滿一百萬個標準游泳池。整個項目化費2億7千萬美元，主要由美國國家科學基金會資助。

把中微子探測中心放於南極極點的地下深處可謂用心良苦。因為冰不產生自然輻射，把探測器埋到深處可以過濾掉宇宙中除了中微子之外的各種其他輻射。南極深處冰層經千百萬年的凍結壓積，其內部少雜質無氣泡像一塊純凈的水晶體，它具有優良的光學特性，這與天文望遠鏡要求高質量的光學透鏡有著某種類似之處。中微子與介質中原子碰撞產生契倫科夫輻射（Cherenkov radiation）會產生一種特殊的藍色幽光，探測中微子的本質就是對這些蘭色幽光的精準測量，純凈的各向同性的冰介質是這種精準測量的基本保證。

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「冰立方」中微子天文台工作原理示意圖。

「冰立方」中微子天文台構成示意圖。

冰立方感興趣的只是來自遙遠星系的高能中微子，但是地球外層空間受宇宙射線激發產生數量巨大的中微子，它們每時每刻都在轟炸著「冰立方」，它們也會在冰立方中產生蘭色的幽光。要在百萬以上中微子背景輻射中捕獲少數高能中微子，這個過程要比草堆中尋針還要難千倍。

好在不同能級不同方向進入「冰立方」所產生的契倫科夫輻射的軌跡、偏振、形狀和持續時間都是不同的，這些輻射產生的幽靈蘭光被位於不同位置上的感測器在不同時刻採集下來，立即作數字處理後由電纜集中送到冰立方地面上的計算機中心。通過複雜的信號處理，「去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及裡」，最後把來自遙遠星系的高能中微子訪客捕獲。現代先進的信號處理技術是近年來天文物理學突飛猛進的關鍵，引力波的發現就是一個最好的佐證。測量引力波需要分辨質子尺度千分之一的長度變化，沒有現代信號處理技術是完全不能設想的。

高能中微子一定來自高能激變的天體，這次被精準定位的TXS 0506 + 056就是耀變體(blazar)，這是一類極其活躍的星系，它的核心是一個超級大黑洞。當鄰近恆星路過巨大黑洞時，會引起「潮汐撕裂事件」被黑洞吞噬[1]。因為黑洞本身的旋轉在其附近空間引成強磁場，被高速吸入的部分恆星氣體在磁場作用下沿著黑洞自旋軸方向加速彈出，引成接近光速的「相對論性噴流」(relativistic jets)。在這股噴流中被超級加速的質子彼此碰撞或與光子碰撞時，結果是產生π介子。帶電的π介子衰變為μ介子和μ介子中微子，而中性π介子又衰變成伽馬射線。耀變體的「相對論性噴流」就成為了燿眼的光芒、伽馬射線暴和高能中微子的同一源頭。

高能中微子在多信道、多手段天文觀測中將起到不可替代的作用。中微子不帶電荷、幾乎不與其它任何物質相互作用，被稱為宇宙中的「隱身人」。「無欲則剛」，中微子在行進中不受阻礙，一條道走到黑絕不拐彎。所以根據中微子軌跡很容易對重大天文事件定位。今後，中微子探測將成為多信道天文學(multi-message astronomy)觀測的重要手段。

2017年8月17日引力波探測導致雙中子星併合事件的發現。僅一個月後，2017年9月22日高能中微子探測把伽馬射線暴與高能中微子的源頭定位在TXS 0506 + 056星繫上。這兩個事件的科學意義無論怎樣強調也不算過分。

1609年的秋天，偉大的物理學家伽利略舉起自製的望遠鏡朝向星空，是人類天文物理的第一次突破。四百多年來，人類製作了各種各樣的光學和射電望遠鏡在天文觀測中取得了豐碩的成果，但是所有這些設備都是基於對電磁輻射的觀察測量，直到2017年人類又獲得了引力波和高能中微子這兩種新的測量方法。2017將以多信道天文學的開啟之年在人類的科學進步史冊上留下不可磨滅的印記。

最後談二點個人看法：

1）與本次事件相關的兩篇最新論文的分析都是3-sigma等級，3-sigma等級意味著論文的結論有相當高的置信度。科學家一般要求達到5-sigma閾值標準才將研究結果確定為「重大發現」，這是粒子物理學研究的通常做法，但天體物理及其它一些物理領域要達到這個標準比較困難。讓我們以謹慎的熱情歡迎本次發現，並耐心等待進一步的探測和更多數據的到來。

2）高能中微子實驗純屬基礎科學研究，主要的意義在於加深人類但宇宙、高能物理和基本粒子的理解和認識。在相當長的時期中，中微子都不會有什麼實際應用價值，希望不會有人去開展中微子通信之類的工程活動。

[1] 黑洞「潮汐撕裂事件」和伽瑪射線脈衝

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