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。

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。

美高梅注册 1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。

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:美高梅注册,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

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。

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。

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。

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。

美高梅注册 2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

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