南极冰层深处有个巨大探测器 只为捕捉这种来自天外的“幽灵粒子”

在地球上捕捉到的一颗类似幽灵的亚原子粒子最终可能有助于解开一个让科学家困惑了一个多世纪的宇宙之谜。

高能中微子——这是第一个被探测到的中微子——被追踪到它的源头是一个遥远的椭圆星系，在它的中心有一个巨大的黑洞，它发射的光和辐射射向地球。

这个被称为“耀变体”的星系是确凿的证据，使天文学家最终解开了围绕高能宇宙射线起源的100年之谜。

（图源：每日邮报）

这些射线是由快速移动的基本粒子组成的，它们从太空中袭击地球，对宇航员、以及商业航班上的机组人员和乘客构成威胁。

科学家们声称，在地球形成之前，从“耀变体”中爆发出来的幽灵粒子的发现，可以为观察宇宙提供一种全新的方式。

发表在《科学》(Science)杂志上的中微子发现，指向了一个可能的起源——从快速旋转的超大质量黑洞的两极发射出的强大的加速粒子喷射。

直到现在，高能宇宙射线的起源对科学家来说还是个谜。

除了宇宙射线，最新的发现可能提供了一种观察宇宙深处的新方法。

与2016年引力波的发现一样，中微子可能是一种新的“信使”，携带着能量穿越宇宙。

中微子是所谓的“第三信使”，它跟随轻质子和引力波。

2017年9月22日，“冰立方”天文台首次探测到高能中微子，这是一个沉入南极一英里以下的巨大设施。

在这里，超过5000个超敏感传感器组成的网格接收到了中微子与冰相互作用时发出的特有的蓝色“切伦科夫”光。

这个粒子几乎没有质量，通过行星、恒星和其他任何东西，轨迹是从它的原点到地球的直线运动。

因此，天文学家能够追踪它的轨迹，穿越数十亿光年回到它可能的来源。

当望远镜迅速指向建议的方向时，探测的消息让天文学家陷入了疯狂的活动。

搜寻工作导致了“耀变体”(blazar)的发现，这是一个特殊的星系类别，包含一个40亿光年外的超大质量黑洞，位于猎户座的左边。

耀变体的一个关键特征是两个光喷流和基本粒子从围绕着黑洞的旋转物质的两极射出。

被冰立方探测到的中微子被认为是由喷流与附近物质相互作用的高能宇宙射线产生的。

来自莱斯特大学的国际天文学家小组成员保罗·奥布莱恩(Paul O'Brien)教授说:“中微子很少与物质发生相互作用。从宇宙中探测它们是很神奇的，但是找到一个可能的来源是一种胜利。”

“这一结果将使我们能够以一种全新的方式研究宇宙中最遥远、最强大的能源。”

什么是高能中微子?

高能中微子是无电荷、无质量的亚原子粒子。

中微子是构成宇宙的基本粒子之一，但由于它们与周围的一切相互作用非常微弱，所以是最不容易理解的粒子之一。

这使它们成为理想的天文信使，因为它们可以穿越宇宙而不受散射、吸收或偏转作用。

然而，这些弱相互作用也使得粒子难以被发现，导致中微子天文台需要大规模的探测器。

它们与其他粒子相互作用的唯一时间是它们正面碰撞的时候。

大多数中微子探测器都使用装有水的巨大地下储罐，并安装了极其灵敏的传感器，以捕捉当中微子撞击液体中的微粒时发出的短暂的闪光。

然而，世界上最大的中微子天文台“冰立方”却使用了一公里大小的冰层，在南极洲地表以下1.55英里(2.5公里)处，靠近南极。

当中微子与冰中的粒子碰撞时，被嵌入到冰层深处的传感器，捕捉到短暂的闪光。

捕捉这些碰撞的证据并不经常发生，但当它发生时，它会在天文台引发一系列事件，试图确定中微子的起源。

大多数中微子都来自撞击我们大气层的太阳或宇宙射线。

与高能中微子不同的是，大多数宇宙射线都带有电荷，导致它们的轨迹被磁场扭曲，因此无法追踪它们的起源。

相比之下，中微子甚至不受最强大磁场的影响。

据信，这颗名为TXS 0506 + 056的中微子，是由“冰立方”团队在不到一分钟的时间内传回的。

科学家们说，能够探测到高能中微子将为我们了解宇宙提供另一扇窗。

“冰立方”阵列使用了一系列的传感器，这些传感器通过钻孔镶嵌在冰层的深处。

IceTop在地表下有两层探测器。图的右下方画了一座埃菲尔铁塔，以显示探测器部署的规模。

2016年2月，第二次“信使”——引力波——或时空涟漪——的轰动性发现被宣布。

负责管理冰立方实验室的美国国家科学基金会(NSF)主任弗朗斯·科尔多瓦(France Cordova)说:“多信使天体物理学的时代已经到来。”

“每一个信使，从电磁辐射、引力波到现在的中微子，都让我们对宇宙有了更全面的了解，也让我们对天空中最强大的物体和事件有了更重要的新见解。”

1912年，物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)在一次气球飞行中使用仪器发现了宇宙射线。

后来的研究表明，它们是由加速接近光速的质子、电子或原子核组成的。

冰立方是世界上最灵敏的中微子探测器。它由5160个光学模块组成，在地理南极地表下一英里的地方，嵌入了一个巨大的水晶冰层。

在美国国家科学基金会的支持下，冰立方能够捕捉到高能中微子的短暂特征——几乎是无质量的粒子，可能是由密集的、剧烈的物体，如超大质量黑洞、星系团和恒星形成星系的能量核心所产生的。

观测站的大小——一立方千米的冰——很重要，因为它增加了可以观测到的潜在碰撞的数量。

此外，南极的冰类型对于探测罕见的碰撞是完美的。大部分的冰都含有气泡和其他会扭曲测量的空洞。

但在南极，它基本上是一个几乎完全由纯水冰组成的巨大冰川，这意味着有更多的原子，因此发生中微子碰撞的可能性也就更大。

每一个圆形的探测器都被固定在一根长绳子上，然后放入冰洞中，这些洞是用一个强大的热水钻钻凿出来的，每个洞需要融化20万加仑的冰。

每根线缆有60个深度传感器，86根线缆构成了主要的冰立方探测器。这个巨大的探测器是在南极高原下8000英尺的平均深度建造的。

整个项目耗资2.79亿美元，其中美国国家科学基金会(National Science Foundation)出资2.42亿美元。

施工的最后阶段，5160个光学传感器的最后86个孔被钻出，现在这些传感器被安装在主探测器上。

中微子和原子之间的碰撞产生了一种叫做“切伦科夫辐射”的蓝光粒子，被称为“μ介子”。

在极稀薄的南极冰层中，冰立方的光学传感器探测到了这种蓝光。

在亚原子碰撞后留下的痕迹让科学家们可以追踪进入的中微子的方向，回到它的起源点，无论是一个黑洞还是一个崩溃的星系。