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,？

這對天文學(xué)發(fā)展又意味著什么呢,？

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2017年9月22日，南極 “冰立方”望遠(yuǎn)鏡探測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,，觀測天文學(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,，人們試圖解決太陽能源機(jī)制問題的過程中，逐漸明確的意識到,，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)家首次通過實驗確認(rèn)了太陽中微子的存在,。太陽成為了人們確認(rèn)的首個能夠發(fā)射中微子的天體,。1987年，人們在銀河系的衛(wèi)星星系“大麥哲倫云”（LMC）中觀測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)地球前三個小時，分布在全球各處的幾臺中微子探測器不約而同的探測到一波中微子信號,。超新星 1987A,，成為了人們確認(rèn)的第二個中微子來源天體。

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,，人們再也沒有確認(rèn)天空中哪一個具體的中微子源。直到現(xiàn)在,。而且這次冰立方探測到的中微子,，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能,？

宇宙中很多極端的現(xiàn)象，要找一個罪魁禍?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“活動星系核”（AGN）,。而所謂活動星系核,，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)。黑洞巨大的引力勢阱,，讓掉落的物質(zhì)釋放出巨大能量,。與此同時，系統(tǒng)向盤面兩側(cè)以接近光速噴出強大的噴流,。

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

以超大質(zhì)量黑洞為核心的活動星系核在不同狀態(tài),、不同觀測方向上呈現(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,，也就是正對著噴流,、亮瞎你眼的那種情形。因為亮度多變,，它還有一個更帥氣的名字,，“耀變體”（Blazar）。在近光速噴薄而出的相對論性噴流中,，裹挾的是無數(shù)質(zhì)子等粒子,。這正是每時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,，會時不時發(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,，同時制造出一個新的粒子,，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介子會進(jìn)一步衰變成μ子（一會兒還會用到這個東西）和一種中微子（μ中微子）；而不帶電的π介子則會衰變成光子,?；⒏笩o犬子，相對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）,。所以其實我們早就期待,，高能中微子和伽馬射線，可以一同閃耀,。

3,、南極，冰井深

中微子探測器是怎么“探測”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，是因為弱相互作用的作用距離極短,、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。日本神岡實驗用了一個16米高的罐子裝了3000噸純凈水,，而它的升級版,，“超級神岡”，用一個40米高的大罐子裝了50000噸純凈水,，來作為探測介質(zhì),。2002、2015年兩次諾貝爾物理學(xué)獎,，均出自使用它們對中微子進(jìn)行的研究,。

超級神岡探測器結(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）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)的活動星系核,，動輒離我們數(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，還是需要一個巨無霸中微子探測器,。南極是地球上唯一保有深達(dá)數(shù)公里純凈冰層的地方,，這里是建造公里級大型中微子探測器的不二選擇。于是“冰立方”登場了,。

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個用于探測中微子產(chǎn)物信號的光學(xué)傳感器,，構(gòu)成了一個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，偶爾會有個別不幸的μ中微子與冰或基巖中的質(zhì)子發(fā)生碰撞,，產(chǎn)生一個高能的μ子,。以近光速運動的高能μ子在冰中穿行的時候，會發(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,，先后接收到強弱不等的藍(lán)光信號,，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別波段、個別信使對天體進(jìn)行研究,，不免有盲人摸象之感,。尤其是對于很多高能天體物理事件,，目標(biāo)源以天甚至更短的時標(biāo)為單位快速變化，觀測的機(jī)遇之窗稍縱即逝,。在這種時候,，各自操持不同觀測設(shè)備的全球天文學(xué)家們，會一齊撲到突發(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20:54事件發(fā)生后,，冰立方團(tuán)隊很快意識到這很可能是一起天體物理起源的事件,。僅約4小時之后，冰立方團(tuán)隊就在“伽馬射線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)”（又名“時變天文網(wǎng)絡(luò)”）中發(fā)布了事件報告,，尋求全球天文設(shè)備的跟進(jìn)觀測支持,。

費米伽馬射線衛(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)測高能伽馬射線的費米衛(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位置范圍一出來,，費米團(tuán)隊馬上就發(fā)現(xiàn)這個范圍內(nèi)確實有一個已知的耀變體存在,。而且因為費米衛(wèi)星迄今已經(jīng)發(fā)射十年，它在注意到這個源“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,，這個源就已經(jīng)開始變亮了,。而在本次事件前后兩周的時間內(nèi)，它更是比“正?！绷炼纫亮?倍,。利用費米衛(wèi)星的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合冰立方的中微子監(jiān)測歷史記錄,，冰立方科學(xué)團(tuán)隊計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耀變體剛好處在同一方向的可能性：14%,。說實話這并不是一個非常讓人放心的數(shù)字，我們期待看到的是一個無限趨近于0的數(shù),，但好歹是有了這樣一個數(shù),，才給了人一點起碼的信心。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，全面的記錄了這個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波段上的信息,。

圖片來源：Icecube/NSF

5、尾聲

前面留了個伏筆,，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。實際上人們長久以來猜測的可能產(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)合觀測都已經(jīng)成為現(xiàn)實,?？聪蛭磥恚诙嘈攀固煳膶W(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？