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来自宇宙的“高能信号”究竟告诉了我们什么?

作者:果壳网 来源:果壳网 公众号
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07-14

宇宙线起源,作为百年之谜,在Science杂志选出的最重要的125个科学问题中名列前茅。

 

就在前天,《科学》(Science)杂志上报道了这一领域的重大发现——南极“冰立方”(IceCube)探测器捕获到来自宇宙深处的罕见“高能信号”——极高能中微子


太长不看版


2017年9月22日,南极 “冰立方”望远镜探测到了一次极高能中微子事件。

这颗中微子的来源方向上,刚好有一个正处在活跃状态的“耀变体”。它很可能就是这颗极高能中微子的源头。

这是首次确认了宇宙中高能中微子和高能宇宙线的具体来源天体。

多信使联测,观测天文学的“新常态”来了。

 

这次的极高能中微子事件发生于2017年9月22日,它的能量约为 290 TeV,远超以往的任何一次高能中微子的观测值。

 

很巧合的是,大约两周后,一些监测极高能光子的望远镜纷纷观测到,在这颗极高能中微子来源方向几十亿光年开外,一个超大质量黑洞导致的“耀变体”,亮度比平时增强了6倍左右。

 

艺术家笔下描绘的一个耀变体。耀变体中心的超大质量黑洞会在垂直于其积吸盘的方向上产生高能物质喷流 | DESY / Science Communication Lab


科学家们推测,这个“耀变体”很可能就是本次监测到的极高能中微子的源头

 

2017年8月,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和费米卫星先后探测到双中子星并合事件发出的引力波和高能光子,随后全球各个波段的望远镜对事件源天体展开了一大波观测,那时我们说人类终于全面进入了多信使天文学时代

本次冰立方和费米卫星联手确认这颗高能中微子源的来源之后,又引起了一大波观测热潮。这两次全球天文学家的联手狂欢,前后相隔仅仅一个月的时间,可以说代表了当代观测天文学一种“新常态”的到来


来自宇宙的高能信号

究竟告诉了我们什么?


这一事件在国内天文学界也引起发了广泛关注和热议。我们就此采访了国内相关领域的几位科学家,请他们谈了谈对于这次极高能中微子事件的看法——


本期科学家


曹俊:中国科学院高能物理所研究员,从事大亚湾反应堆中微子实验研究


陈学雷:中国科学院国家天文台研究员


张帆:北京师范大学天文系副教授并兼任美国西弗吉利亚大学助理教授


苟利军:中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学教授


1.这次的发现主要说明了什么? 


曹俊:

自从1912年发现宇宙线以来,它的起源一直困扰着我们。对这些能量极其大的宇宙粒子,我们既不知道它们从哪儿来,也不知道什么机制能将它们加速到那么高的能量。南极的“冰立方”天文台就是为寻找宇宙线起源而建。它利用了中微子不带电,不受宇宙中磁场影响,能够直指源头的特点。


上世纪80年代晚期开始,Francis Halzen提出在南极冰层下建立天文台。在90年代“阿曼达实验”、2000年代“阿曼达”二代的基础上,2010年建成了冰立方天文台,占地一立方公里。2013年找到了两个超高能中微子事件,后来又发现了更多事件,但似乎没什么规律,跟天上的哪个源都对不上。2016年有一些模糊的证据。这次终于找到了一个比较可靠的证据,证实巨大黑洞产生的喷流是超高能宇宙线粒子的源头之一。

 

张帆

这次的研究不仅解开了高能中微子的源本身的谜团,伽马射线的协同观测也说明类星体可以把质子加速到很高的能量。

 

陈学雷

在这项研究之前探测到的天体源中微子,主要包括宇宙线粒子与地球大气作用形成的中微子、太阳核反应产生的中微子,以及超新星爆发产生的中微子,还有一些不知道来源的中微子。而这次探测到的中微子能量极高,并可能来自黑洞

 

苟利军

这项研究首次确认了高能中微子的产生源头,所以非常重要,之前仅仅是探测到了太阳系之外的中微子,但是不知道是哪个天体产生的。

 

2.这次极高能中微子来源于“耀变体”的推论是否可靠?

 

曹俊

当前来看支持这一论点仍需要更多证据,但即使这次的推论不算确凿无疑,但也有了关键证据

 

陈学雷

从目前论文数据结果来看,这次事件的统计显著性还不是特别高。可能还需要进行一些其他研究来佐证。

 

张帆

这次数据在统计显著性上不是特别高,但该研究团队以往研究工作一直不错,而且本次的数据不只来自于一次观测,研究者们核对了过去的数据也能符合,所以应该还是能够认同的

 

3.这一领域未来还会做哪些探究?


张帆

这项研究发表的同时,也有其他观点认为这个类星体可能不会产生能量最高的超高能宇宙线。所以类星体究竟能在宇宙线的哪个能量区间贡献出多少通量还得继续研究


陈学雷

在这之后研究者应该会继续观测类似中微子并寻找相关性,包括分析过去一些中微子事件与黑洞耀变体存档数据的相关性,当然还有扩建冰立方。另外也还有一些其它的高能中微子探测项目也在预研或讨论中。

 

苟利军

未来将会更多利用高能Ferimi卫星和地面上的其它高能观测设备,比如MAGIC等设备进行观测,多信使将是之后详细研究高能中微子来源的一个重要方式

 

4.探测极高能中微子,有什么重要意义?


张帆

意义主要在于科学家们对中微子和电磁进行了协同观测,使中微子也加入到多信使天文学的大家庭中。以前除了太阳和大气中微子之外似乎只有超新星如1987A 的中微子辐射被观测到过,而这次观测到的是类星体喷出来能量很高的中微子。

 

陈学雷

这次探测的极高能中微子,可以为研究黑洞喷流的机制、其与周边物质的相互作用、高能中微子的性质等提供新的手段

  

曹俊

本项研究或许可以推进冰立方计划的升级,加快实验进程。冰立方和引力波实验LIGO是美国自然科学基金委支持的两大项目,都经历了三、四十年的研发、逐步建设和升级的过程,克服了大量技术困难,期间一无所获,但最终在宇宙探索历史上留下光彩夺目的篇章。


艺术家根据真实照片重绘的南极冰立方中微子天文台 | IceCube / NSF


听了以上几位科学家的解读,你是否对这颗来自宇宙的高能中微子还是印象模糊呢?自称是天文八卦学家”的刘博洋博士也带来了自己对此次发现的深度解析:


它来自黑洞,穿越40亿光年,在南极遇到块“冰立方”……


寻找中微子源


中微子一种质量非常小的基本粒子,比电子还要轻大约两百万倍。它经常产生于各种粒子相互转化的过程中,产生后以接近光速飞行,几乎和任何物质都不发生作用。


中微子在上世纪30年代作为一种理论上存在的粒子被提出,但一开始连提出者自己都不太相信它的存在。

在上世纪中叶,人们试图解决太阳能源机制问题的过程中,逐渐明确的意识到,太阳内部核反应可以产生中微子。1970年代,两位天文学家首次通过实验确认了太阳中微子的存在。太阳成为了人们确认的首个能够发射中微子的天体。

1987年,人们在银河系的卫星星系“大麦哲伦云”(LMC)中观测到了一颗肉眼可见的超新星,这是1604年开普勒超新星以来唯一一次肉眼可见的超新星爆发事件。而就在这枚距离我们16万光年的超新星放出的光子到达地球前三个小时,分布在全球各处的几台中微子探测器不约而同的探测到一波中微子信号。超新星 1987A,成为了人们确认的第二个中微子来源天体。


大麦哲伦云星系中的超新星1987A的遗迹 | 哈勃空间望远镜拍摄,Noel Carboni 处理


但此后三十年,人们再也没有确认天空中哪一个具体的中微子源。直到现在。

而且这次冰立方探测到的中微子,可以说是把前两者碾压到渣都不剩。

太阳中的中微子绝大多数来源于质子-质子反应,这种反应释放出的中微子能量峰值位于大约 0.3 MeV 处。而1987A超新星爆发前,日本神冈等中微子探测器捕捉到的中微子能量,则均在 10 MeV 左右。TeV 和 MeV 之间差了百万倍,所以冰立方这次看到的极高能中微子的能量(~290 TeV)分别相当于太阳中微子平均能量的十亿倍和 1987A 中微子平均能量的数千万倍而发出这颗中微子的源天体 TXS 0506+056,距离我们足有40多亿光年之遥。


中微子:何以高能


作为一种比电子还要轻小许多的微观粒子,是什么让如此渺小的中微子可以拥有堪比宏观物体的巨大的动能?


宇宙中很多极端的现象,要找一个罪魁祸首的话,黑洞都难辞其咎。极高能中微子也是如此。

上世纪60年代,射电天文学的发展为天文学打开了崭新的电磁波段窗口,一系列影响深远的新天体、新现象被发现,其中就包括“类星体”,这种看着像是恒星、但其实不是恒星的东西。类星体和其他几种另外发现的天体,究其本质,我们现在将其统称为“活动星系核”(AGN)。

而所谓活动星系核,指的就是星系中央盘踞着的超大质量黑洞和周边结构共同组成的这么一种天体系统。黑洞巨大的引力势阱,让掉落的物质释放出巨大能量。与此同时,系统向盘面两侧以接近光速喷出强大的喷流。


黑洞有“挨饿”和“饕餮”这两种状态,而即使对同一种状态的黑洞,在不同角度下看过去,也会形成不同表象。


以超大质量黑洞为核心的活动星系核在不同状态、不同观测方向上呈现不同的特征 | Brian Koberlein


本次高能中微子事件的始作俑者就是其中一种——蝎虎座BL型天体,也就是正对着喷流、亮瞎你眼的那种情形。因为亮度多变,它还有一个更帅气的名字,“耀变体”(Blazar)。

在近光速喷薄而出的相对论性喷流中,裹挟的是无数质子等粒子。这正是每时每刻都在轰击地球的“宇宙线”的成分。其中的高能质子在前进中,会时不时发生一些意外:

它可能偶遇一颗光子并发生碰撞,一种可能结果是高能质子损失部分能量,同时制造出一个新的粒子,π介子。这是一种质量约为电子的270倍的粒子。它又分为带电和不带电两种,其中带电的π介子会进一步衰变成μ子(一会儿还会用到这个东西)和一种中微子(μ中微子);而不带电的π介子则会衰变成光子。

虎父无犬子,相对论性喷流喷出高能质子,高能质子打出高能π介子,而高能π介子造出来的,是高能中微子和高能光子(即伽马射线)。

所以其实我们早就期待,高能中微子和伽马射线,可以一同闪耀。


南极,冰井深


中微子探测器是怎么“探测”到中微子的呢?不是说好了中微子见了谁都不理的吗?

也不尽然。在四种基本相互作用中,中微子只参与弱相互作用和引力相互作用,不参与强相互作用和电磁相互作用。之所以造成“中微子见了谁都不理”这种印象,是因为弱相互作用的作用距离极短、作用截面极小,很难真正发生碰撞。但常言道(误),“如果你看的不够清楚,要么是你站的不够近,要么是你口径不够大”,只要肯堆料,总是可以解决的。

日本神冈实验用了一个16米高的罐子装了3000吨纯净水,而它的升级版,“超级神冈”,用一个40米高的大罐子装了50000吨纯净水,来作为探测介质。2002、2015年两次诺贝尔物理学奖,均出自使用它们对中微子进行的研究。


超级神冈探测器结构示意图 | S.Fukuda 等


但毕竟太阳离这么近、1987A 离的也不算很远,它们发出的中微子流量之大,用(超级)神冈这么大的罐子就能捕捉的到。而预期中高能中微子的来源,那些遥远的活动星系核,动辄离我们数十亿光年之遥,它们产生的高能中微子能来到地球的,比起太阳中微子来说算是少之又少。尽管中微子的作用截面随着能量的增大而增大,但要想研究这些高能中微子,还是需要一个巨无霸中微子探测器。

南极是地球上唯一保有深达数公里纯净冰层的地方,这里是建造公里级大型中微子探测器的不二选择。

于是“冰立方”登场了。


图 | Icecube/NSF


厚达2820米的冰层上被开出了86眼深井,每眼井中,从距冰表1450米处开始向下,安置了60个用于探测中微子产物信号的光学传感器,构成了一个大约覆盖一立方公里范围的传感器阵列。


图 | Icecube/NSF


当若干来自宇宙深处的高能中微子劳师远征闯入“冰立方”附近,偶尔会有个别不幸的μ中微子与冰或基岩中的质子发生碰撞,产生一个高能的μ子。以近光速运动的高能μ子在冰中穿行的时候,会发现自己已经跑的比冰里面的光速还要快了,就像超音速飞机在空气中所做的,它也在所到之处击出一串光之“激波”,这就是所谓“切伦科夫辐射”,一种诡谲科幻的蓝光。而那些镶嵌在冰中的光子传感器,随距离μ子路径的远近,先后接收到强弱不等的蓝光信号,汇总起来,就是这样的图景:



图:Icecube/NSF


据此,就可以反演出高能μ子来袭路径,也即高能中微子的入射方向。由此,冰立方确定的中微子源方位的误差范围,跟月亮覆盖的天空面积差不多大。


多信使的盛宴


现代天文学所谓之多信使,包含由无限电波、红外、可见光、紫外、X射线、伽马射线共同构成的电磁波,引力波,以及中微子、宇宙线等实物粒子。不同类型的天体,或者同一天体在不同的演化阶段,甚至在同一演化阶段的不同具体状态下,都会在各种“信使”以至各种“波段”呈现出不同的表现。

所以在当代,如果还像以前那样只用个别波段、个别信使对天体进行研究,不免有盲人摸象之感。尤其是对于很多高能天体物理事件,目标源以天甚至更短的时标为单位快速变化,观测的机遇之窗稍纵即逝。在这种时候,各自操持不同观测设备的全球天文学家们,会一齐扑到突发事件上面,以求留下珍贵数据。

以这次高能中微子事件为例。2017年9月22日世界时20:54事件发生后,冰立方团队很快意识到这很可能是一起天体物理起源的事件。仅约4小时之后,冰立方团队就在“伽马射线协作网络”(又名“时变天文网络”)中发布了事件报告,寻求全球天文设备的跟进观测支持。


费米伽马射线卫星 | NASA/Aurore Simonnet, Sonoma State University,绘制者 Sandbox Studio


最先投入响应的是一大波经常需要面对紧急高能事件的望远镜,其中在本次事件中做出了尤其主要贡献的,是专门监测高能伽马射线的费米卫星,它在多年巡天工作中,已经掌握了全天高能目标的完整源表。所以这次冰立方的估计位置范围一出来,费米团队马上就发现这个范围内确实有一个已知的耀变体存在。而且因为费米卫星迄今已经发射十年,它在注意到这个源“有问题”之后,可以回头查阅档案数据,看看它之前表现的是否正常。一查便知:早在2017年4月开始,这个源就已经开始变亮了。而在本次事件前后两周的时间内,它更是比“正常”亮度要亮了6倍。

利用费米卫星的长期监测数据,结合冰立方的中微子监测历史记录,冰立方科学团队计算出仅仅由于巧合而导致本次事件的中微子与这么亮的一个耀变体刚好处在同一方向的可能为0.3%说实话这并不是一个非常让人放心的数字,我们期待看到的是一个无限趋近于0的数,但好歹是有了这样一个数,才给了人一点起码的信心。

在此之后,包括美国的射电望远镜干涉阵“央斯基甚大阵”、日本的光学望远镜“昴星团”、欧南台在智利的“甚大望远镜”等全球20多架望远镜也加入了观测,全面的记录了这个正处于活跃期的耀变体、高能宇宙线与高能中微子策源地在各个波段上的信息。


图 | Icecube/NSF


尾声


前面留了个伏笔,说本次把高能中微子事件和耀变体做了关联,是认证了“一种”产生高能中微子的天体物理机制。实际上人们长久以来猜测的可能产生高能中微子的天体物理机制并不只有超大质量黑洞的相对论性喷流这一条,证明了这一种,并不必然说明其他的机制就不行了,也许只是尚未被发现而已。

在这张处处“高能”的清单上,陈列的还有太阳耀斑爆发、脉冲星星风、超新星爆发,恒星级小质量黑洞形成的“微型类星体”、X射线双星,以及伽马射线暴等机制。这些,都还有待冰立方在未来与全球望远镜合作进行进一步探索。

在过去的一年中,引力波和电磁波中微子和电磁波的联合观测都已经成为现实。看向未来,在多信使天文学的狂欢盛宴中,引力波和中微子的邂逅也并非完全不可期待。也许要再等十年,也许就在明天。谁知道呢?


参考文献:


[1]Charles D. Dermer, 2007, JPCS, 60, Best-Bet Astrophysical Neutrino Sources

[2]Charles D. Dermer & Govind Menon, 2009, Princeton University Press, High Energy Radiation from Black Holes - Gamma Rays, Cosmic Rays, and Neutrinos
[3] Gustavo E. Romero et al., 2017, SSR, 207, 5, Relativistic Jets in Active Galactic Nuclei and Microquasars
[4] The IceCube et al., 2018, Science, 361, eaat1378, Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A



作者:刘博洋

编辑:小柒、东风


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宇宙 
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