天文学突破:来自40亿光年外的高能“幽灵粒子”

作者: 原理君

来源: space.com

发布日期: 2018-07-13

科学家通过南极的IceCube中微子观测站追踪到了来自40亿光年外的高能中微子,并确定了其源头为耀变体TXS 0506+056,这解决了天文学家长期以来的谜团,并为宇宙射线的起源提供了新的见解。

去年九月,一位来自宇宙深处的信使,到访了位于南极冰盖之下早已在等待它的冰立方(IceCube)。在迅速地追踪了这位访客的方向之后,物理学家幸运地在另一台环绕地球运行的望远镜中,捕捉到了一股来自同一方向的极高能辐射流。没错,这位遥远的访客便是科学家苦苦追寻的“高能中微子”,这一次我们终于追踪到了它的宇宙源头,解决了困扰天文学家一个世纪之久的谜团。

中微子是几乎没有质量的亚原子粒子,它们没有电荷,很少与周围环境发生相互作用,因此也被称为“幽灵粒子”。但事实上,每一秒钟,都有数以万亿计的“幽灵粒子”在不知不觉中穿过我们的身体。大多数的中微子都来自太阳。但是还有一小部分中微子拥有更高的能量,它们从非常深的深空中飞到我们身边。中微子固有的飘忽不定的属性,阻碍了天文学家确定这些宇宙遨游者的起源,直至今日……

南极的IceCube中微子观测站和其他一些仪器的观测,让研究人员追踪到了一个遥远耀变体(Blazar)中的宇宙中微子。耀变体是众多活跃星系中的一种,也被称为活动星系核(AGN),在它的中央是一颗快速旋转的超大质量黑洞。

不仅如此,与宇宙中微子携手同行的还有宇宙射线,宇宙射线是不断地撞击地球的高能带电粒子。所以,新的发现认为耀变体至少也是速度最快的一些宇宙射线的加速器。

天文学家自1912年首次发现宇宙射线时,就对它们充满了好奇。但这些粒子的带电属性令它们受挫,这使得宇宙射线在快速掠过太空时,会受到各种天体不同的牵引。最终能被成功探测的是那个能径直完成太空旅行的幽灵粒子。

IceCube中微子天文台的首席科学家Francis Halzen在接受space.com的采访时说:“对宇宙射线来源的寻找已经持续了一个多世纪。现在,我们终于找到了一个。”

IceCube位于南极冰盖下的2.4公里深处,由86根装备了传感器的电缆组成,每根电缆包含有60个篮球大小的“数字光学模块”。这些光学模块配备有灵敏的光探测器,用于搜寻宇宙中最极端的天体事件辐射出的高能中微子。

2017年9月22日,IceCube探测到了另一种宇宙中微子。这种中微子能量极高,大约为300TeV——几乎比质子绕大型强子对撞机(LHC,地球上最强大的粒子加速器)加速一圈的能量高50倍。在检测的1分钟内,仪器发出了自动通知,提醒其他天文学家注意发现,并接力探测可能是粒子源的那一小块天空。

联合观测发现中微子源是已知的、被称为TXS 0506+056的耀变体,距离地球大约40亿光年。

耀变体是一种特殊类型的高光度活动星系,它能喷射出光和粒子的双喷流束,其中一束直接对准地球。这就是为什么在我们看来耀变体如此明亮的部分原因。天文学家已经在宇宙中发现了数千个耀变体,没有一个像TXS 0506+056一样向我们发射中微子。

这只是从新结果衍生出的众多问题之一。例如,Halzen也想知道加速机制是什么:耀变体到底是如何让中微子和宇宙射线达到如此惊人的速度的?基于新研究中显示出的“多信使天体物理学”(用至少两种不同类型的信号来探索宇宙)的力量,Halzen对在不久的将来能解答这些问题表示乐观。

这是多信使天文学的又一个里程碑。从这次多信使观测事件中我们可以学到很多:耀变体已经被证明至少是宇宙射线的一个来源。为了加速中微子,需要衰变的π介子,而π介子是由加速的质子产生的。这为黑洞加速质子提供了第一个确凿证据。这也证明了耀变体TXS 0506+056是宇宙中最明亮的光源之一。

最后,通过伴随中微子的宇宙射线,我们可以确定,宇宙中微子与宇宙射线至少有时候具有共同的起源。

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