天文学家追踪撞击地球高能粒子来源 疑似来自40亿光年外一个黑洞

天文学家发现了一种神秘高能粒子的疑似深空起源，这种被称为中微子的微小粒子于去年直接穿过地球，它们似乎来自40亿光年外一个非常活跃的黑洞。这是研究人员首次确定了一种高能中微子的疑似来源，这使得科学家们距离找到产生这些神秘粒子的源头更近了一步。

9月，在南极附近工作的研究人员在南极冰中发现了超级高能中微子的存在。这些快速移动的粒子通常会不留痕迹地穿过像我们星球这样的物体。但这次到访的中微子是一种罕见的种类，它实实在在地撞到了冰上，留下了一道痕迹，使得研究人员可以通过他们的天文台，IceCube来测量。随后，研究小组迅速动员起来，关注着粒子出现的那片天空。

在那片天空中，他们发现了中微子的一个疑似来源，一个超活跃的星系，其中心是一个超大质量的黑洞。这种星系实际上被称为“耀变体”，这意味着它的黑洞核心正在向地球方向喷射辐射(和其他物质)。今天，《科学》杂志上发表的两篇论文详细介绍了这一发现，有力地证明了中微子起源于这个黑洞。这无疑是一个重大的科学发现，因为天文学家以前从来没有能够确定这样一个高能中微子的潜在诞生地。但是现在，耀变体可能是未来科学家们寻找这种中微子的好地方。

如果我们知道中微子从何而来，科学家们可能会把它们用作探测宇宙的工具。中微子被认为会出现在宇宙中一些最极端的物体中，比如垂死的恒星、黑洞和碰撞的星系。通过确认中微子的来源，天文学家就可以利用这些粒子，就像我们利用x射线来观察我们的身体一样。道恩·威廉姆斯(Dawn Williams)是阿拉巴马大学物理学和天文学副教授，同时也是IceCube团队成员，道恩告诉记者，“通过寻找中微子，我们可以了解到更多关于这些天体内部发生的事情，这可以增加我们对这些物体的了解，它们仍然是一个很大的研究课题。”

然而，利用中微子的力量是很困难的，因为它们被认为是宇宙中最隐秘的粒子之一。它们是我们所知道的最轻的基本粒子，质量略高于0。但是不像其他粒子，如电子或质子，中微子没有电荷，所以它们不受磁场之类的事物影响。事实上，他们几乎不会受到任何事物的影响。中微子可以沿着一条直线穿过宇宙，即使是覆盖很远的距离，也不会偏离它们的轨道。它们是如此的小，以至于它们可以像微小的幽灵一样穿过行星、恒星和星系。事实上他们现在也正在通过你的身体，据估计，每秒钟有数以万亿计的中微子会通过人体。

中微子虽然在大小上存在不足，但这种不足在能量方面得到了弥补。天文学家认为，中微子是在剧烈的能量变化过程中产生的，比如核聚变反应，在核聚变反应过程中，这些粒子以接近光速的速度被向外发射。所以从核弹到爆炸的恒星，所有的剧烈能量变化过程都可以创造出这些难以捉摸的小粒子。现在宇宙中的无处不在的中微子大多数都是在宇宙大爆炸时产生的。

在此之前，科学家们只知道有三种不同的中微子来源，它们经常撞击地球。我们已经收集了来自太阳内部的粒子，我们有时也可以测量到来自我们地球大气层的粒子。其他种类的高能粒子来自于我们的星系外，被称为宇宙射线，在与我们地球的大气层撞击过程中把分子分解成碎片，在地球上方产生大量的中微子。1987年，天文学家就曾探测到银河系外的一颗超新星发出的过量中微子。

由于中微子是如此的隐秘，科学家需要一种非常特殊的探测器来发现这些粒子。最好的设施之一是靠近南极的IceCube中微子天文台。它由数千个嵌入冰盖的光敏管组成，能够测量中微子与地球发生的非常罕见的碰撞。马里兰大学物理学教授、IceCube发现小组成员埃里克·布劳法斯(Erik Blaufuss)告诉记者。“它们相撞的可能性非常小，这就是为什么我们必须在南极建造这么大的仪器。”时不时地，中微子不会直接穿过我们的星球，而是会在南极的冰中分裂一部分原子。”当这种情况发生时，它基本上破坏了原子的原子核，形成了一束穿越透明冰的蓝光。探测器探测的就是这束蓝光。根据轨迹，IceCube可以计算出中微子的能量和它本来的运动方向。

IceCube观测站预计将观测到大气中的中微子。但在2013年，天文学家注意到，他们发现的粒子的能量比太阳或1987年超新星发现的粒子能量要大数百万倍。这些高能量的中微子也比其他类型的中微子更稀有，IceCube估计，它们每年会探测到大约10次这种类型的中微子。研究人员很怀疑这些中微子来自比太阳系和银河系更遥远的深空，但他们没有任何证据。

9月份探测到撞击的中微子就是这些高能量类型的一种。当IceCube探测到它时，研究小组立即向其他望远镜发出警报，看看是否能够找到粒子的来源。IceCube告诉其他天文学家中微子来自天空的哪个部分，这样他们就知道把望远镜对准哪里。大约有20个天文台协助了寻找。其中的两架望远镜，美国宇航局的费米太空望远镜和位于加那利群岛的魔法望远镜，在那片天空中测量到了来自耀变体的高能伽马射线的巨大波动。这些发现表明，在探测期间，耀变体发射出了高能量物质，同时可能也发射出了中微子。

然后，IceCube团队决定回顾他们的记录，看看他们是否有更多的证据来支持这一个想法。他们发现，在2014年到2015年间，探测器发现了来自同一地区的中微子。所有这一切并不能贸然地证明耀变体就是中微子的源头，但这个想法仍然是目前为止最好的解释。威廉姆斯说:“我们需要做更多的观察，以获得更有统计学意义的重要发现。但这一切都非常令人兴奋，因为这些都是独立的检查，我们从未见过伽玛射线和中微子之间有如此紧密的联系。”

IceCube团队希望能开展更多类似的合作，他们会提醒其他的光学望远镜指向一个特定的中微子的来源方向。这种合作被称为多信使天文学，是一种利用两种不同的信号——光和中微子——来确定天空中的来源的方法。“通过提供能够在特定的时间内专注特定天空区域的能力,我们也提高了设备的敏感度,从而增加了成功检测的机会,”德里克·福克斯告诉记者，德里克是宾夕法尼亚州立大学的天文学副教授,他并没有参与IceCube团队，但他对的《科学》杂志上的一篇论文有重大贡献。

这将增加我们在未来找到中微子来源的机会。也许有一天，天文学家可以用一种新的方式观察遥远的物体，通过研究它们发射到地球的奇异的基本粒子。福克斯说:“人类在整个人类历史中都是用光来观察宇宙的。所以现在我们在2017年和2018年刚刚达到一个转折点，我们希望能通过除了光以外的其他手段去探测宇宙的各种源头。”