原标题:人类首次确认37亿光年外“幽灵粒子”源头,引力波之后的又一重大天文事件!
如果你伸出你的拇指,每秒都会有 1000 亿个中微子通过你的指甲。但自 100 多年前首次被发现以来,中微子一直是一个谜团:科学家对这种粒子的来源十分困惑。它们就像飘散在空间中的“幽灵”,没有人知道它们为什么在空间中,也没有人知道这些“幽灵粒子”是如何产生的。
可中微子本身对于人类探索宇宙来说意义重大,它和引力波一样,都携带了许多重要信息。因此,自引力波之后,人类探索宇宙的下一个重大发现也被认为或许就藏在宇宙中微子中。
同时,此次探索的高能中微子也是迄今观测到的最高能中微子,其能量是太阳中微子能量的 10 亿倍,而这些中微子在到达地球之前,已旅行了 37 亿光年。研究发表在 7 月 12 日的《科学》杂志上。
一次意外发现和全球“大接力”
对于天文学家们来说,中微子让他们“又爱又恨”:因难以检测臭名昭著,但却可提供光观测不可比拟的关键优势:宇宙对高于特定能量的电磁辐射来讲几乎是透明的,换句话说,高能中微子可以毫无阻碍地穿梭整个宇宙。
科学家们通过对这样的中微子进行研究,可以一直追溯至产生它的银河系外事件,可能还包括宇宙深处最高能的事件。所以说,捕获(实际不能真的“捕获”,只是收集中微子撞到探测器时探测器传回的数据)并研究这类源自太空深处的中微子,对天文工作来说则至关重要。
而这一次研究的高能中微子,其“地球之旅”的曝光实际上发生在 2017 年 9 月。
当 IceCube 探测器探测到深空高能中微子的信息得到确认后,全球范围内的一大批天文学家都开始着手分析这个中微子留下的数据,尝试定位它的源头。整个观测形成了全球天文界一次声势浩荡的“接力探测”。
科学家们的努力也没有白费。关于高能中微子来源的可能解释有中子星、伽马射线爆发、超新星和某些星系中心的黑洞辐射,而经过联合观测加上查阅已有的数据资料,科学家们确定,这个高能中微子源自耀变体 TXS 0506+056 。
耀变体是一种密度极高的高变能量源,被假定为处于寄主星系中央的超大质量黑洞。物质落入位于寄主星系中央的超大质量黑洞时,将产生能量。位于遥远星系中心的耀变体每吞噬一颗星,就会以类似激光喷射的形式喷射出非常高能量的辐射,这些中微子就是在这一喷射过程中落向地球。
论文共同作者,宾夕法尼亚州立大学天体物理学副教授 Derek Fox 说:“这些警报激起了一系列令人印象深刻的后续观察,但没有任何有趣的消息。。。。。。直到 IceCube-170922A 的出现。”
IceCube 如何立大功?
那么,在此次发现中扮演重要角色的 IceCube 具体又是如何“捕获”这个令全世界的天文学家为之兴奋的最高能中微子的呢?
IceCube 中微子探测器于 2010 年完工,被放置在南极冰层下一块一立方公里大小的冰块中。当中微子撞击冰块里水分子的核时,其他粒子便会在反冲中散开,而在这些散开粒子的减速过程中,这些散开的粒子会发出契伦科夫辐射。
契伦科夫辐射是指在介质中运动的电荷速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射。从宇宙空间中进入地球大气层的某些高能粒子,运动速度接近光速,可以发出契伦科夫辐射。
IceCube 上所搭载的 5160 个光探测器中的一些便能在这个过程中探测到契伦科夫辐射。而科学家则能根据检测到辐射的位置,时间和亮度,重建中微子的路径和计算它所携带的能量。
人类探测宇宙的新时代已经降临
值得注意的是,本次研究中使用了多信使天文研究法,将多种“信使”的观察和解译结果进行综合处理,最终获得结论。
在多信使天文研究法中,中微子就是一种“信使”,它携带了粒子源的相关信息,因而可为科学家对相关天体或天文事件研究提供信息。除了中微子,这样的信使还包括电磁辐射、引力波和宇宙射线等。
结合这些不同的“信使”,科学家可获得不同方面的信息,更好地还原粒子源或所追踪事件的细节。因此,此次的发现也标志着人类对宇宙的探索进入了新阶段。
NSF 主任Cordova 在同一份声明中说:“多信使天体物理学的时代已经来临。从电磁辐射、引力波和现在的中微子,每一个信使都让我们对宇宙产生更全面的理解,也让人类对空间中最强大的天体和事件有了更有力的洞察能力。”
论文的共同作者之一Marcos Santander 教授也表示:“这是我们首次有证据证明,一个活跃星系正在不断向外喷射中微子,这意味着我们很快能用中微子来进行天体研究,这是此前的研究手段所不可能得到的结果。”
著名物理学家霍金曾经说过,“我的目标很简单,就是把宇宙整个明白——它为何如此,它为何存在”。现在,人类又将朝着这个问题大步迈进。