來自宇宙的「高能信號」究竟告訴了我們什麼?

原標題:來自宇宙的「高能信號」究竟告訴了我們什麼？

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

就在前天，《科學》（Science）雜誌上報導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。

太長不看版

2017年9月22日，南極 「冰立方」望遠鏡探測到了一次極高能中微子事件。

這顆中微子的來源方向上，剛好有一個正處在活躍狀態的「耀變體」。它很可能就是這顆極高能中微子的源頭。

這是首次確認了宇宙中高能中微子和高能宇宙線的具體來源天體。

多信使聯測，觀測天文學的「新常態」來了。

這次的極高能中微子事件發生於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，大約兩周後，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於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，美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）和費米衛星先後探測到雙中子星併合事件發出的引力波和高能光子，隨後全球各個波段的望遠鏡對事件源天體展開了一大波觀測，那時我們說人類終於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後，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，前後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。

來自宇宙的高能信號

究竟告訴了我們什麼？

這一事件在國內天文學界也引起發了廣泛關注和熱議。我們就此採訪了國內相關領域的幾位科學家，請他們談了談對於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：北京師範大學天文系副教授併兼任美國西弗吉利亞大學助理教授

苟利軍：中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學教授

1.這次的發現主要說明了什麼？

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，也不知道什麼機制能將它們加速到那麼高的能量。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，佔地一立方公裡。2013年找到了兩個超高能中微子事件，後來又發現了更多事件，但似乎沒什麼規律，跟天上的哪個源都對不上。2016年有一些模糊的證據。這次終於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，並可能來自黑洞。

苟利軍：

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。

2.這次極高能中微子來源於「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於一次觀測，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。

3.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：

在這之後研究者應該會繼續觀測類似中微子並尋找相關性，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。

苟利軍：

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，多信使將是之後詳細研究高能中微子來源的一個重要方式。

4.探測極高能中微子，有什麼重要意義？

張帆：

意義主要在於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。

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

聽了以上幾位科學家的解讀，你是否對這顆來自宇宙的高能中微子還是印象模糊呢？自稱是天文八卦學家」的劉博洋博士也帶來了自己對此次發現的深度解析：

它來自黑洞，穿越40億光年，在南極遇到塊「冰立方」……

尋找中微子源

中微子一種質量非常小的基本粒子，比電子還要輕大約兩百萬倍。它經常產生於各種粒子相互轉化的過程中，產生後以接近光速飛行，幾乎和任何物質都不發生作用。

中微子在上世紀30年代作為一種理論上存在的粒子被提出，但一開始連提出者自己都不太相信它的存在。

在上世紀中葉，人們試圖解決太陽能源機制問題的過程中，逐漸明確的意識到，太陽內部核反應可以產生中微子。1970年代，兩位天文學家首次通過實驗確認了太陽中微子的存在。太陽成為了人們確認的首個能夠發射中微子的天體。

1987年，人們在銀河系的衛星星系「大麥哲倫雲」（LMC）中觀測到了一顆肉眼可見的超新星，這是1604年克卜勒超新星以來唯一一次肉眼可見的超新星爆發事件。而就在這枚距離我們16萬光年的超新星放出的光子到達地球前三個小時，分布在全球各處的幾臺中微子探測器不約而同的探測到一波中微子信號。超新星 1987A，成為了人們確認的第二個中微子來源天體。

大麥哲倫雲星系中的超新星1987A的遺蹟 | 哈勃空間望遠鏡拍攝，Noel Carboni 處理

但此後三十年，人們再也沒有確認天空中哪一個具體的中微子源。直到現在。

而且這次冰立方探測到的中微子，可以說是把前兩者碾壓到渣都不剩。

太陽中的中微子絕大多數來源於質子-質子反應，這種反應釋放出的中微子能量峰值位於大約 0.3 MeV 處。而1987A超新星爆發前，日本神岡等中微子探測器捕捉到的中微子能量，則均在 10 MeV 左右。TeV 和 MeV 之間差了百萬倍，所以冰立方這次看到的極高能中微子的能量（~290 TeV），分別相當於太陽中微子平均能量的十億倍，和 1987A 中微子平均能量的數千萬倍。而發出這顆中微子的源天體 TXS 0506+056，距離我們足有40多億光年之遙。

中微子：何以高能

作為一種比電子還要輕小許多的微觀粒子，是什麼讓如此渺小的中微子可以擁有堪比宏觀物體的巨大的動能？

宇宙中很多極端的現象，要找一個罪魁禍首的話，黑洞都難辭其咎。極高能中微子也是如此。

上世紀60年代，射電天文學的發展為天文學打開了嶄新的電磁波段窗口，一系列影響深遠的新天體、新現象被發現，其中就包括「類星體」，這種看著像是恆星、但其實不是恆星的東西。類星體和其他幾種另外發現的天體，究其本質，我們現在將其統稱為「活動星系核」（AGN）。

而所謂活動星系核，指的就是星系中央盤踞著的超大質量黑洞和周邊結構共同組成的這麼一種天體系統。黑洞巨大的引力勢阱，讓掉落的物質釋放出巨大能量。與此同時，系統向盤面兩側以接近光速噴出強大的噴流。

黑洞有「挨餓」和「饕餮」這兩種狀態，而即使對同一種狀態的黑洞，在不同角度下看過去，也會形成不同表象。

以超大質量黑洞為核心的活動星系核在不同狀態、不同觀測方向上呈現不同的特徵 | Brian Koberlein

本次高能中微子事件的始作俑者就是其中一種——蝎虎座BL型天體，也就是正對著噴流、亮瞎你眼的那種情形。因為亮度多變，它還有一個更帥氣的名字，「耀變體」（Blazar）。

在近光速噴薄而出的相對論性噴流中，裹挾的是無數質子等粒子。這正是每時每刻都在轟擊地球的「宇宙線」的成分。其中的高能質子在前進中，會時不時發生一些意外：

它可能偶遇一顆光子並發生碰撞，一種可能結果是高能質子損失部分能量，同時製造出一個新的粒子，π介子。這是一種質量約為電子的270倍的粒子。它又分為帶電和不帶電兩種，其中帶電的π介子會進一步衰變成μ子（一會兒還會用到這個東西）和一種中微子（μ中微子）；而不帶電的π介子則會衰變成光子。

虎父無犬子，相對論性噴流噴出高能質子，高能質子打出高能π介子，而高能π介子造出來的，是高能中微子和高能光子（即伽馬射線）。

所以其實我們早就期待，高能中微子和伽馬射線，可以一同閃耀。

南極，冰井深

中微子探測器是怎麼「探測」到中微子的呢？不是說好了中微子見了誰都不理的嗎？

也不盡然。在四種基本相互作用中，中微子只參與弱相互作用和引力相互作用，不參與強相互作用和電磁相互作用。之所以造成「中微子見了誰都不理」這種印象，是因為弱相互作用的作用距離極短、作用截面極小，很難真正發生碰撞。但常言道（誤），「如果你看的不夠清楚，要麼是你站的不夠近，要麼是你口徑不夠大」，只要肯堆料，總是可以解決的。

日本神岡實驗用了一個16米高的罐子裝了3000噸純淨水，而它的升級版，「超級神岡」，用一個40米高的大罐子裝了50000噸純淨水，來作為探測介質。2002、2015年兩次諾貝爾物理學獎，均出自使用它們對中微子進行的研究。

超級神岡探測器結構示意圖 | S.Fukuda 等

但畢竟太陽離這麼近、1987A 離的也不算很遠，它們發出的中微子流量之大，用（超級）神岡這麼大的罐子就能捕捉的到。而預期中高能中微子的來源，那些遙遠的活動星系核，動輒離我們數十億光年之遙，它們產生的高能中微子能來到地球的，比起太陽中微子來說算是少之又少。儘管中微子的作用截面隨著能量的增大而增大，但要想研究這些高能中微子，還是需要一個巨無霸中微子探測器。

南極是地球上唯一保有深達數公裡純淨冰層的地方，這裡是建造公裡級大型中微子探測器的不二選擇。

於是「冰立方」登場了。

圖 | Icecube/NSF

厚達2820米的冰層上被開出了86眼深井，每眼井中，從距冰表1450米處開始向下，安置了60個用於探測中微子產物信號的光學傳感器，構成了一個大約覆蓋一立方公裡範圍的傳感器陣列。

圖 | Icecube/NSF

當若干來自宇宙深處的高能中微子勞師遠徵闖入「冰立方」附近，偶爾會有個別不幸的μ中微子與冰或基巖中的質子發生碰撞，產生一個高能的μ子。以近光速運動的高能μ子在冰中穿行的時候，會發現自己已經跑的比冰裡面的光速還要快了，就像超音速飛機在空氣中所做的，它也在所到之處擊出一串光之「激波」，這就是所謂「切倫科夫輻射」，一種詭譎科幻的藍光。而那些鑲嵌在冰中的光子傳感器，隨距離μ子路徑的遠近，先後接收到強弱不等的藍光信號，匯總起來，就是這樣的圖景：

圖：Icecube/NSF

據此，就可以反演出高能μ子來襲路徑，也即高能中微子的入射方向。由此，冰立方確定的中微子源方位的誤差範圍，跟月亮覆蓋的天空面積差不多大。

多信使的盛宴

現代天文學所謂之多信使，包含由無限電波、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線共同構成的電磁波，引力波，以及中微子、宇宙線等實物粒子。不同類型的天體，或者同一天體在不同的演化階段，甚至在同一演化階段的不同具體狀態下，都會在各種「信使」以至各種「波段」呈現出不同的表現。

所以在當代，如果還像以前那樣只用個別波段、個別信使對天體進行研究，不免有盲人摸象之感。尤其是對於很多高能天體物理事件，目標源以天甚至更短的時標為單位快速變化，觀測的機遇之窗稍縱即逝。在這種時候，各自操持不同觀測設備的全球天文學家們，會一齊撲到突發事件上面，以求留下珍貴數據。

以這次高能中微子事件為例。2017年9月22日世界時20:54事件發生後，冰立方團隊很快意識到這很可能是一起天體物理起源的事件。僅約4小時之後，冰立方團隊就在「伽馬射線協作網絡」（又名「時變天文網絡」）中發布了事件報告，尋求全球天文設備的跟進觀測支持。

費米伽馬射線衛星 | NASA/Aurore Simonnet, Sonoma State University，繪製者 Sandbox Studio

最先投入響應的是一大波經常需要面對緊急高能事件的望遠鏡，其中在本次事件中做出了尤其主要貢獻的，是專門監測高能伽馬射線的費米衛星，它在多年巡天工作中，已經掌握了全天高能目標的完整源表。所以這次冰立方的估計位置範圍一出來，費米糰隊馬上就發現這個範圍內確實有一個已知的耀變體存在。而且因為費米衛星迄今已經發射十年，它在注意到這個源「有問題」之後，可以回頭查閱檔案數據，看看它之前表現的是否正常。一查便知：早在2017年4月開始，這個源就已經開始變亮了。而在本次事件前後兩周的時間內，它更是比「正常」亮度要亮了6倍。

利用費米衛星的長期監測數據，結合冰立方的中微子監測歷史記錄，冰立方科學團隊計算出僅僅由於巧合而導致本次事件的中微子與這麼亮的一個耀變體剛好處在同一方向的可能為0.3%。說實話這並不是一個非常讓人放心的數字，我們期待看到的是一個無限趨近於0的數，但好歹是有了這樣一個數，才給了人一點起碼的信心。

在此之後，包括美國的射電望遠鏡幹涉陣「央斯基甚大陣」、日本的光學望遠鏡「昴星團」、歐南臺在智利的「甚大望遠鏡」等全球20多架望遠鏡也加入了觀測，全面的記錄了這個正處於活躍期的耀變體、高能宇宙線與高能中微子策源地在各個波段上的信息。

圖 | Icecube/NSF

尾聲

前面留了個伏筆，說本次把高能中微子事件和耀變體做了關聯，是認證了「一種」產生高能中微子的天體物理機制。實際上人們長久以來猜測的可能產生高能中微子的天體物理機制並不只有超大質量黑洞的相對論性噴流這一條，證明了這一種，並不必然說明其他的機制就不行了，也許只是尚未被發現而已。

在這張處處「高能」的清單上，陳列的還有太陽耀斑爆發、脈衝星星風、超新星爆發，恆星級小質量黑洞形成的「微型類星體」、X射線雙星，以及伽馬射線暴等機制。這些，都還有待冰立方在未來與全球望遠鏡合作進行進一步探索。

在過去的一年中，引力波和電磁波、中微子和電磁波的聯合觀測都已經成為現實。看向未來，在多信使天文學的狂歡盛宴中，引力波和中微子的邂逅也並非完全不可期待。也許要再等十年，也許就在明天。誰知道呢？

參考文獻：

[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：劉博洋

編輯：小柒、東風

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