宇宙線起源，作為百年之謎，在Science雜志選出的最重要的125個科學問題中名列前茅。

 

就在前天，《科學》（Science）雜志上報道了這一領域的重大發現—— 南極“冰立方”（IceCube）探測器捕獲到來自宇宙深處的罕見“高能信號”——極高能中微子。

 

這次的極高能中微子事件發生于2017年9月22日，它的能量約為 290 TeV，遠超以往的任何一次高能中微子的觀測值。

 

很巧合的是，大約兩周后，一些監測極高能光子的望遠鏡紛紛觀測到，在這顆極高能中微子來源方向幾十億光年開外，一個超大質量黑洞導致的 “耀變體” ，亮度比平時增強了6倍左右。

 

藝術家筆下描繪的一個耀變體。耀變體中心的超大質量黑洞會在垂直于其積吸盤的方向上產生高能物質噴流。DESY / Science Communication Lab

 

科學家們推測，這個“耀變體”很可能就是本次監測到的 極高能中微子的源頭。

 

2017年8月，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和費米衛星先后探測到雙中子星并合事件發出的引力波和高能光子，隨后全球各個波段的望遠鏡對事件源天體展開了一大波觀測，那時我們說人類終于全面進入了多信使天文學時代。

本次冰立方和費米衛星聯手確認這顆高能中微子源的來源之后，又引起了一大波觀測熱潮。這兩次全球天文學家的聯手狂歡，前后相隔僅僅一個月的時間，可以說代表了當代觀測天文學一種“新常態”的到來。

 

這一事件在國內天文學界也引起發了廣泛關注和熱議。我們就此采訪了國內相關領域的幾位科學家，請他們談了談對于這次極高能中微子事件的看法——

 

本期科學家

 

曹俊： 中國科學院高能物理所研究員，從事大亞灣反應堆中微子實驗研究

 

陳學雷： 中國科學院國家天文臺研究員

 

張帆： 北京師范大學天文系副教授并兼任美國西弗吉利亞大學助理教授

 

茍利軍： 中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學教授

 

01

這次的發現主要說明了什么？

曹俊：

自從1912年發現宇宙線以來，它的起源一直困擾著我們。對這些能量極其大的宇宙粒子，我們既不知道它們從哪兒來，也不知道什么機制能將它們加速到那么高的能量。南極的“冰立方”天文臺就是為尋找宇宙線起源而建。它利用了中微子不帶電，不受宇宙中磁場影響，能夠直指源頭的特點。

 

上世紀80年代晚期開始，Francis Halzen提出在南極冰層下建立天文臺。在90年代“阿曼達實驗”、2000年代“阿曼達”二代的基礎上，2010年建成了冰立方天文臺，占地一立方公里。2013年找到了兩個超高能中微子事件，后來又發現了更多事件，但似乎沒什么規律，跟天上的哪個源都對不上。2016年有一些模糊的證據。這次終于找到了一個比較可靠的證據，證實巨大黑洞產生的噴流是超高能宇宙線粒子的源頭之一。

 

張帆：

這次的研究不僅解開了高能中微子的源本身的謎團，伽馬射線的協同觀測也說明類星體可以把質子加速到很高的能量。

 

陳學雷：

在這項研究之前探測到的天體源中微子，主要包括宇宙線粒子與地球大氣作用形成的中微子、太陽核反應產生的中微子，以及超新星爆發產生的中微子，還有一些不知道來源的中微子。而這次探測到的中微子能量極高，并可能來自黑洞。

 

茍利軍：

這項研究首次確認了高能中微子的產生源頭，所以非常重要，之前僅僅是探測到了太陽系之外的中微子，但是不知道是哪個天體產生的。

 

02

這次極高能中微子來源于“耀變體”的推論是否可靠？

 

 

曹俊：

當前來看支持這一論點仍需要更多證據，但即使這次的推論不算確鑿無疑，但也有了關鍵證據。

 

陳學雷：

從目前論文數據結果來看，這次事件的統計顯著性還不是特別高。可能還需要進行一些其他研究來佐證。

 

張帆:

這次數據在統計顯著性上不是特別高，但該研究團隊以往研究工作一直不錯，而且本次的數據不只來自于一次觀測，研究者們核對了過去的數據也能符合，所以應該還是能夠認同的。

 

03

這一領域未來還會做哪些探究？

張帆：

這項研究發表的同時，也有其他觀點認為這個類星體可能不會產生能量最高的超高能宇宙線。所以類星體究竟能在宇宙線的哪個能量區間貢獻出多少通量還得繼續研究。

 

陳學雷：

在這之后研究者應該會繼續觀測類似中微子并尋找相關性，包括分析過去一些中微子事件與黑洞耀變體存檔數據的相關性，當然還有擴建冰立方。另外也還有一些其它的高能中微子探測項目也在預研或討論中。

 

茍利軍：

未來將會更多利用高能Ferimi衛星和地面上的其它高能觀測設備，比如MAGIC等設備進行觀測，多信使將是之后詳細研究高能中微子來源的一個重要方式。

 

04

探測極高能中微子，有什么重要意義？

張帆：

意義主要在于科學家們對中微子和電磁進行了協同觀測，使中微子也加入到多信使天文學的大家庭中。以前除了太陽和大氣中微子之外似乎只有超新星如1987A 的中微子輻射被觀測到過，而這次觀測到的是類星體噴出來能量很高的中微子。

 

陳學雷：

這次探測的極高能中微子，可以為研究黑洞噴流的機制、其與周邊物質的相互作用、高能中微子的性質等提供新的手段。

 

曹俊：

本項研究或許可以推進冰立方計劃的升級，加快實驗進程。冰立方和引力波實驗LIGO是美國自然科學基金委支持的兩大項目，都經歷了三、四十年的研發、逐步建設和升級的過程，克服了大量技術困難，期間一無所獲，但最終在宇宙探索歷史上留下光彩奪目的篇章。

 

想要了解更多關于本次極 高能中微子的詳情 ？請點擊今天的第二條文章，閱讀由劉博洋博士給大家帶來的深度解析——《它來自黑洞，穿越40億光年，在南極遇到塊“冰立方”，冷得一哆嗦》

 

藝術家根據真實照片重繪的南極冰立方中微子天文臺。IceCube / NSF

 

 

 

來自宇宙的“高能信號”，究竟告訴我們什么？

圖文簡介

來自宇宙深處的罕見“高能信號”——極高能中微子