一个来自超大质量黑洞的“幽灵粒子”穿越太空，钻进了南极冰层
冰立方是美国主导的天文观测设备，座落于南极冰层深处，耗资2.7亿美元建造。这台探测器能够探测到来自深空的高能亚原子粒子——有着“幽灵粒子”之称的中微子。中微子从深空来到地球，可能直接来自于超新星爆炸残余或者黑洞。普通的望远镜无法观测到神秘莫测的中微子，但冰立方可以。它是迄今为止建造的世界上最大的中微子望远镜。
▲座落于南极的冰立方中微子观测站
2017年9月22日，一个来自遥远超大质量黑洞的“幽灵粒子”，也就是中微子穿越太空，以略低于光速的速度钻进南极冰层。它的能量达到300万亿电子伏特，几乎是欧洲核子研究组织大型强子对撞机（世界上最大的粒子加速器）所释放能量的50倍。这个宇宙入侵者触发了冰立方中微子观测站的探测器并发出红色警报。
▲艺术概念图，契伦科夫光锥穿过冰立方望远镜最不爱“交际”的粒子
冰立方致力于揭开物理学和宇宙学的一个最大谜团——中微子的源头。这个观测站建在南极地下，被1立方公里冰层包裹，用于探测中微子。当中微子与冰层内的原子发生交互，冰立方能够探测到它们的存在。中微子“来袭”会导致瀑布般的快速移动带电粒子释放出微弱光线，被称之为“契伦科夫光”。冰立方内的数千个光学传感器能够捕捉到契伦科夫光。根据“粒子瀑布”释放的光量，科学家能够确定来袭中微子的能量。
中微子是速度最快、质量最小、最不爱“交际”，并且最不为科学家所知的基本粒子。科学家也是刚刚能够探测到来自深空的高能中微子。这种粒子没有电荷，质量也低到无法准确测量的程度。它们只通过引力和所谓的弱核力与其它物质交互，能够像幽灵一样神不知鬼不觉地穿过地球，甚至数公里厚的铅板。
科学家希望利用中微子探索宇宙
2012年，科学家第一次发现单一银河系外天体与中微子之间发生可信交互。当时，遥远星系PKS B1424-418的一场剧烈爆炸产生的中微子抵达地球。这场爆炸发生在100亿年前。虽然中微子的数量远超过宇宙内的所有原子，但由于极少与其它物质交互，探测中微子成为一个巨大挑战。此外，这种特性还让中微子快速逃离光线无法轻易逃脱的区域，例如一颗塌陷恒星的核心。在宇宙中，它们几乎畅通无阻。中微子所能提供重要的宇宙演化和环境信息。如果只通过研究光线，科学家很难获取这些信息。
发现“大鸟”
冰立方发现了地外中微子的第一个证据，并凭借此发现入选2013年《物理世界》年度十大突破。迄今为止，冰立方团队已经发现了大约100个高能中微子，并以儿童电视剧集《芝麻街》中的人物命名最为极端的中微子事件。
▲费米伽玛射线望远镜
2012年12月4日，冰立方探测到一场被称之为“大鸟”的事件。“大鸟”的能量超过2千万亿电子伏特。这相当于将1万亿倍牙科X射线的能量塞进一个质量不及电子百万分之一的粒子。“大鸟”是当时探测到的能量最高的中微子，至今仍排在第二位。
“大鸟”来自何处？冰立方团队将可能区域锁定在大约32度宽的一片南天区域，视面积相当于64个满月。研究论文主执笔人、德国维尔茨堡大学天体物理学教授马蒂亚斯·卡德勒表示：“这就像在勘察犯罪现场。这起案件涉及到一场爆炸、一名嫌犯以及一系列旁证。”根据卡德勒率领的国际天文学家小组的研究，同一事件的大约同一时间可能诞生一个破纪录的中微子。维尔茨堡大学和埃尔兰根-纽伦堡大学的天文学家和天体粒子物理学家也参与了这项研究。
▲费米望远镜获取的耀变体PKS B1424-418周边天域图像，颜色越亮的区域伽玛射线越多。虚线环为冰立方锁定的中微子“大鸟”的可能源区，可信度达到50%。左图以2011年7月8日为中心，涵盖300天数据，当时的PKSB1424-418处于不活跃状态。右图以2013年2月27日为中心，涵盖300天的活跃状态数据，当时PKS B1424-418是这片天域最明亮的耀变体
2012年夏季，美国宇航局的“费米”伽玛射线望远镜观测到PKS B1424-418的亮度大幅提高。PKS B1424-418是一个活跃星系，被归为“伽玛射线耀变体”。活跃星系拥有紧凑且亮度非比寻常的核心，中央区域的惊人亮度由物质坠落超大质量黑洞所致。这个黑洞的质量是太阳的数百万倍。向这个超级黑洞坠落时，某些物质被导入以接近光速向外移动的粒子喷流。耀变体的其中一道喷流几乎正对地球。蝎虎座BL型天体是科学家发现的第一种耀变体。
在长达一年的爆发中，PKS B1424-418的伽玛射线平均亮度达到喷发前的15到30倍。这个耀变体处在“大鸟”潜在源区。继PKS B1424-418之后，费米望远镜又发现其它很多活跃星系。
▲TANAMI获取的图像，射电频率为8.4 GHz，展示了PKS B1424-418星系2011年至2013年的爆发景象。这颗耀变体核心喷流的亮度提高了4倍，是TANAMI计划观测到的最富戏剧性的耀变体
TANAMI助力
随后，搜寻中微子源头的科学家将目光投向长期观测计划TANAMI的数据。2007年以来，TANAMI便经常对南天的近100个活跃星系进行观测，包括费米望远镜探测到的很多明亮星系。2011年至2013年的三次射线观测与费米的观测重叠。观测结果表明PKS B1424-418核心的喷流亮度提高了近4倍。计划实施期间，TANAMI从未观测到出现如此戏剧性变化的其它星系。
TANAMI是一项针对南天活跃星系的多波长观测计划，利用澳大利亚长基线望远镜阵列以及智利、南非、新西兰和南极洲的相关望远镜定期进行射线观测。如果将这些望远镜连成一片，覆盖区域超过9655公里。科学家让它们“齐上阵”，以获取活跃星系喷流的超高清图像。
▲艺术概念图，耀变体派遣中微子“入侵”地球
研究论文合著者、维尔茨堡大学天文学教授卡尔·曼海姆表示：“耀变体的质量可达到太阳的10亿倍左右。它们的喷流能够将质子加速到相对论性速度。这些质子与耀变体中央区域光线的交互能够形成介子。介子衰变会产生伽玛射线和中微子。”
研究论文合著者、埃尔兰根-纽伦堡大学的费利希亚·克劳伯指出：“我们对‘大鸟’的可能源区进行勘察，搜寻能够产生高能粒子和光线的天体。我们最终意识到我们观测到的最具戏剧性的耀变体爆发刚好在正确的时间和正确的地方上演。这是一个激动人心的时刻。”
研究小组认为PKS B1424-418爆发与“大鸟”之间存在联系，两个事件偶然发生的概率只有5%。借助费米望远镜、美国宇航局“雨燕”和WISE卫星以及长基线望远镜阵列和其它观测设备的数据，研究人员确定了爆发所产生能量的电磁波谱分布，同时证明这场大爆发的威力足以产生PeV级高能中微子。
▲为了探测中微子，冰立方探测器使用深埋在南极冰盾地下的5160个传感器，深度在1500米到2000米之间锁定第一嫌犯
卡德勒指出：“通过将所有相关观测数据考虑在内，我们发现这颗耀变体似乎有能力、有动机，也有机会产生中微子‘大鸟’。它是我们锁定的第一嫌犯。”威斯康星大学麦迪逊分校冰立方项目首席研究员弗朗希斯·哈尔泽表示‘大鸟’的发现是一个令人兴奋的暗示，预示着科学家将取得更令人吃惊的发现。哈尔泽并未参与此项研究。
哈尔泽指出：“当记录下一颗源区只有半度多一点的中微子，或者略大于满月的视面积，冰立方会发出实时警报。我们正缓慢打开宇宙的一个中微子窗口。”2017年9月22日，哈尔泽宣布：“我们发现了第一个宇宙射线源头。”
▲借助冰立方探测器，科学家首次探测到来自外太空的中微子。冰立方探测器使用深埋在南极冰盾地下的5000多个传感器进行探测，深度达到1.5公里
数秒钟内，冰立方便向全球天文观测卫星网络发出警报，包括将这个中微子的源头追溯到超大质量黑洞的费米望远镜。
这个黑洞是一个远古类星体，座落于遥远星系TXS 0506+056，能够产生极强的X射线和伽玛射线暴。
冰立方项目科学家对此前的观测数据进行了梳理，最后发现了TXS0506+056星系此前的中微子爆发，其中包括2014年和2015年的大规摸中微子爆发。（TXS 0506+056被科学家戏称为“德州源”。）这一发现为科学家提供了长久以来探寻的线索，有助于他们揭开一大谜团，即宇宙射线这种来自太空的高能粒子雨究竟源自何处。
哈尔泽在一封电邮中指出：“在这个活跃星系，中微子究竟在何处产生仍有待科学家讨论。有一点是确定的，超大质量黑洞扮演了加速器的角色。不过，如何加速中微子仍是一个不解之谜。”
夏威夷大学中微子专家约翰·勒尼德在写给《纽约时报》的邮件中指出：“我对研究发现持相信态度。几十年来，我们梦寐以求的真正意义上的高能中微子天文学研究正式拉开帷幕。我们将窥探宇宙中能量最大的天体‘内脏’。”勒尼德并未参与冰立方项目。
中微子天文学研究之所以引起科学家的浓厚兴趣，是因为他们有可能追溯中微子的源头。中微子不仅能够远距离穿行，以接近光速的速度穿过恒星核心等其它物质无法穿越的区域，同时没有电荷，不受到星际和星系际磁场以及其它因素影响。相比之下，质子和电子等宇宙粒子的移动都在受影响之列。中微子能够径直在宇宙中穿梭，几乎做到畅通无阻。
▲为了探测中微子，冰立方探测器使用深埋在南极洲冰盾地下的5160个传感器，深度在1500米到2000米之间。之所以将部署地点选在地下深处是为了将探测器与宇宙射线和其他背景辐射隔绝开来
冰立方项目由12个国家的300名科学家参与，采用5000多个灵敏的光电倍增管。这些传感器深埋南极冰盾地下，四周被1立方公里的冰层包裹。当极为罕见的中微子撞击冰层内的原子核，中微子会产生一个蓝光锥，被称之为“契伦科夫辐射”。契伦科夫辐射穿过冰层并被光电倍增管捕获。
哈尔泽表示建造冰立方的目的就是寻找宇宙射线的源头。自2011年服役以来，冰立方已多次发现中微子。但迄今为止，科学家尚未锁定任何一颗中微子的源头。其中一个原因在于，科学家假设源头就在附近，可能就在我们的银河系。然而，“德州源”TXS 0506+056在40亿光年外，是宇宙中最明亮的天体之一。
编辑：金婉霞
责任编辑：姜澎
来源：微信公众号”漫步宇宙“