史上首次！科学家借助南极望远镜追踪到“幽灵粒子”来源，宇宙探索进入新阶段
有史以来第一次，利用设置在南极的“冰立方”望远镜（IceCube），科学家在距地37亿光年之外追踪到了高能中微子信号的源头。在此前，中微子一直被称作幽灵般的粒子，对于科学家们来说，它一直是一个“神龙见首不见尾”的存在。
据悉，研究团队追踪到了发出中微子的耀变体（Blazar),即由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生的剧烈天文现象，这一星系位于猎户座肩部左侧的星座中，距离地球约40亿光年，是此次观测到的中微子的来源。
“这意味着，我们进入了人类太空研究的新时代，使得人类能够以全新的视角去研究和观察宇宙。”研究团队表示。
▲科学家表示，这一发现标志着人类对宇宙的探索进入了新阶段。图据CNN
中微子的追踪有什么意义？
据CNN报道，科学家表示，这一发现标志着科学家们首次有希望追踪宇宙射线的起源。“这一发现开拓了高能中微子天文学的新领域，我们期待它能为我们在宇宙和基础物理学的理解上带来突破，包括这些超高能粒子的产生方式和位置。”冰立方合作团队创始人之一，宾夕法尼亚大学物理天文学及天体物理学教授考恩（Doug Cowen）表示。
“20年来，我们这一团队的梦想之一就是确定高能宇宙中微子的来源。看起来，我们终于做到了！”他说。
据悉，这项研究结果发表在12日出版的《科学》（Science)期刊上的两篇论文中，其中一篇论文包括对中微子的探测工作，另一篇的内容则显示，此前在2014年2015年，这一耀变体曾经两次爆发并发射出中微子。
▲位于星系中心的超大质量黑洞将一条狭窄的高能射流射入太空。图据CNN
《科学》杂志称，地面和宇宙中的多个观测点提供的针对电磁波频谱的数据和观测，使得这一发现成为了“多信使（multimessenger）”天文学在何种程度上能够促进宇宙探索的典范。在2017年10月，“多信使”天文学曾成功帮助多国科学家直接探测到中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。
“我们已经走到了‘多信使’天文学时代的门口。”美国国家科学基金会主任科尔多瓦（France Córdova ）在一份声明中表示，“每个信使——无论是电磁辐射、引力波还是现在的中微子，都使得我们对宇宙有了更全面的认知，并对深空中最强大的物体和天体现象有了更加深入的洞见。”
中微子、宇宙射线和耀变体都是什么？
此前，中微子一直被称为幽灵，因为它们极易挥发或变为蒸汽态，而且能够在不改变形态的前提下，穿越任何物质。中微子几乎没有任何质量，能够穿越最极端的环境，包括恒星、行星甚至整个星系，并保持稳定不变。在此次最新研究发现之前，科学家只发现了中微子的两个来源：太阳和一颗超新星。
▲中微子极易挥发，且几乎没有任何重量。图据CNN
宇宙射线，则是宇宙中最具有活力的粒子，持续从宇宙中轰击地球。其在地球大气层中的电离子，是由物理学家赫斯（Victor Hess）在1912年首次发现的，并确定它们来自太空。宇宙射线主要由质子和原子核构成，自整个宇宙中的各处发射，是极其强大的粒子加速器，使瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机的能力都要相形见绌。
但是，自宇宙射线被发现以来，科学家们也为此陷入了长久的困惑，这些射线究竟从何而来？创造和发射它们的，又是什么？恰在此时，中微子解答了科学家们的这一困惑：因其自身携带的特殊信息，能够表明它们究竟来自何方。
而耀变体的独特标志，则是一个巨大的椭圆星系，有两个发射光和粒子的喷流，沿着黑洞旋转的轴线移动接近光源。它们可以闪耀几分钟到几个月不等的时间，而其中一个极其明亮的喷流（因此被命名为耀变体）则指向地球。
▲ 耀变体 图据CNN
此次研究的发布者之一，冰立方团队的资深科学家卡勒（ Albrecht Karle）表示：“如果说有什么特别之处，那就是我们正在光束中央，它是指向我们的。”
过去相当长的一段时间以来，科学家们一直认为，这些喷射可以产生高能粒子，因为它们可以作为“宇宙加速器”影响质子和中子，并将其变为宇宙射线。科学家推测，由于宇宙射线的能量高达大型强子对撞机中粒子的数亿倍，因此只有极其猛烈的外力才能创造它们。
此后，在于喷射中的其它物质发生反应后，高能光子和中微子就从宇宙射线中被产生出来。
由于宇宙射线是带电粒子，路径受到磁场影响，因此无法探求其发射的源头。但是，中微子虽然同样带有极高的能量，本身却不带电，即便再强大的磁场也无法改变其路径。
但是，问题就在于，科学家们必须要首先能够完成对中粒子的追踪，而这是此前从未实现过的壮举。
因此，“冰立方”望远镜就有了“英雄用武之地”。
中微子的发现过程
据悉，冰立方探测器自2010年开始在南极投入使用，绝大部分资金由美国国家科学基金会资助。
为了建造冰立方，施工者在冰面上钻了86个洞，每个洞的深度达到了2400米，并在1立方公里的网格中铺设了5160个光传感器网络。
▲南极冰川之上的微粒子探测装置。图据CNN
2013年，冰立方首次在银河系之外发现了第一个具有高能量的中微子，并在此后观测到82个高能中微子，但始终无法对其进行追踪。实际上，在冰立方观测的过程中，每天都会探测到大约200个中微子，但是大部分为低能量，产生于宇宙射线和大气相互作用的过程中。
直到2017年9月22日，情况发生了变化——
南极冰盖下探测到了被称作IceCube-170922A的中微子，能量达到了300万亿电子伏特。当中微子和原子核相互作用时，会产生二次带电粒子，并发出蓝色光锥，而这道光锥能够被冰立方的光传感器网络检测和映射，并追溯源头。
▲中微子探测装置示意图。图据CNN
在检测完成后，冰立方的实时报警装置会自动触发，使得地球和太空中的共计18个观测点都能够从整个电磁波谱中收集有关中微子源的数据，包括高能伽马射线、X射线、可见光及无线电波。
检测结果显示，耀变体TXS 0506 056是中微子的来源。在这样的结论得出之前，它就已经被发现，但是没有详细的论证。伽马射线显示，它是整个宇宙中最明亮的物体之一。
“我们发现的不仅仅是中微子源的第一个证据，而且证明了这个星系还是宇宙射线的加速器。”冰立方团队的一名科学家，希尔（Gary Hill）表示，“我已经在这个领域工作了近30年，发现中微子源是一个令人难以置信的时刻。在我们确定了一个真正来源之后，我们可以将目光对准更多其它类似的物体，去洞察数十亿年前宇宙中的极端事件，正是这些事件让这些粒子不停地奔向我们的星球。”
中微子的发现意味着什么？
据CNN介绍，这一发现揭示了一种研究宇宙的新方式，为人类提供了和此前相比完全不同的观测视角。
“这是我们第一次有证据显示，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够用中微子来进行天体研究，这是此前单纯以光线来研究，所不可能得到的结果。”论文的共同作者之一、桑坦德（Marcos Santander）教授表示。
目前，其它中微子探测器也将使得更多的中微子被探测，并且使得科学家们能够更加详细地研究它们的起源。科学家们希望能够在地球上建立一个中微子望远镜的网络，并正在致力于研究它的设计。
“我们现在更加理解了我们要寻找的东西，这意味着我们在未来能够更加精准地定位和追踪它们。”参与研究的中微子物理学家伊莉莎（Elisa Resconi）表示。
红星新闻记者丨 翟佳琦 编译报道
编辑丨冯玲玲
