【图片】中微子与宇宙源头相连

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中微子首次与宇宙源头相连(明德合成)
中微子首次与宇宙源头相连(明德合成)

【明德网李文涵编译】高能中微子已经被追溯到一个被称为 “布拉扎 “的燃烧的超大质量黑洞。这种长期寻找中打开了研究宇宙的全新方式的大门。

一位来自银河系以外的罕见客人 迎来了天文学的新时代。访客,一个超高能量的宇宙中微子,在南极下面一英里处撞上了冰块,冰立方实验的探测器正等着捕捉它。在迅速追踪它来的方向后,物理学家们很幸运:另一台望远镜,这台绕地球运行的望远镜,发现了来自同一方向的极高能辐射流。

双子事件可能是一个宇宙巧合。但当物理学家们查看他们的档案数据时,他们发现了其他几个中微子,似乎来自同一个方向。这个支持性的证据让他们相信,他们已经实现了宇宙第一:追溯超高能中微子的天体物理源。

那个源头似乎是一个超大质量的黑洞 在一个遥远星系的中心。每当黑洞吞噬一颗恒星时,它就会喷出一股非常高能的辐射,以激光状的形式喷射出来。天文学家说它是 “耀斑”。他们称这些燃烧的黑洞为 “耀斑”,并认为高能中微子是辐射的副产品。

《科学》杂志(公有领域)
《科学》杂志(公有领域)

在《科学》杂志上发表的两篇系列论文中描述的这一发现,不仅解决了天文学中关于高能中微子起源的长期争论。这一发现也是一种被称为多信使天文学的新科学方法的第二个例子(继去年观测到中子星碰撞之后),在这种方法中,天文学家既使用光,也使用另一种宇宙信使(在这种情况下是中微子,在另一种情况下是引力波)来揭示一个天体物理事件的细节。”这就像获得了一种全新的观察宇宙的方式,”美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家Roopesh Ojha说。

全球警报

当中微子到达时,IceCube实验的领导者Albrecht Karle正在麦迪逊威斯康星大学的办公室里,为南极之旅做准备。IceCube每年探测到超过5万个中微子候选者,但其中只有大约10个中微子的能量非常高,表明它们来自银河系外。当探测器发现一个候选高能中微子时,在几分钟内就会向团队成员和世界各地的观测站发出警报。

卡勒电脑上弹出的警报说,这个被称为IceCube-170922A的候选中微子携带了约300太电子伏特的能量,是日内瓦附近大型强子对撞机产生的质子能量的40多倍。”我通常不容易兴奋,但是这个气味闻起来不错”卡勒对柏林洪堡大学的天体粒子物理学家艾丽莎·贝纳迪尼Elisa Bernardini)说。

(Katia Moskvitch)
位于南极的IceCube实验室装有计算机,这些计算机从数千个埋在冰中的探测器中收集数据。 马丁·沃尔夫(IceCube / NSF) (Katia Moskvitch)

进入费米。当IceCube发现中微子时,天基费米大面积望远镜正好扫描了它出现的天空区域。它还记录到了异常强烈的伽马辐射耀斑。Ojha与费米望远镜一起工作,当IceCube的警报落入他的邮箱时,他 “直接就知道那是有趣的东西”。果然,他找到了匹配的对象。在猎户座Bellatrix西边一点的地方 住着一颗被称为TXS 0506+056的耀斑星。

Ojha与费米望远镜一起工作(公有领域)
Ojha与费米望远镜一起工作(公有领域)

接下来,Ojha检查了一份射电源目录,而一位同事则检查了光学源。他们发现伽马射线、无线电波和光波的激增 来自于耀斑星。这就是耀斑。

所有的耀斑星都是 “固有的可变天体”,Ojha说,但在之前的三个月里,这颗耀斑星已经从某一目录中最亮的第51位进入了前五位。除了Fermi,另一台天基伽马射线望远镜Swift也看到了这颗耀斑。

科学家认为,这一发现是解决一系列物理学难题的关键一步,比如超高能宇宙射线的起源。这些由质子或更重的原子核组成的粒子,从太空中降到地球上,据信它们的诞生过程与中微子相同。研究人员认为,它们可能来自两颗中子星的合并,或者它们可能是由磁星–快速旋转的中子星产生的,它们会产生强磁场。这一发现还可以帮助确定中微子的精确质量,发现其他预测的中微子类型,如无菌中微子,甚至可能探测到暗物质。

要做到这一点,天文学家必须找到更多的中微子,更高的能量,并迅速将它们与天空中的源头联系起来。即使是这个中微子,能量再高,也无法与冰立方发现的能量最高的中微子相比,其中有三个中微子的能量在小电子伏特范围内,也就是太电子伏特的1000倍。

这些中微子,以芝麻街为灵感的名字Ernie、Bert和Big Bird,还没有被明确地追溯到它们的来源(尽管有一种说法认为Big Bird可能起源于燃烧的耀斑星PKS B1424-418)。这些中微子的构成是造成不确定性的部分原因,因为它们都来自电子中微子家族。这类中微子在IceCube探测器中产生级联粒子,它们像一个宽大的冰淇淋锥体一样辐射出去。这使得估计中微子的能量相对容易,但追踪其方向却很难。而μ子中微子则会产生长长的、笔直的粒子级联,这使得它们有一个精确的方向和不确定的能量。去年9月观测到的中微子就是一个μ子中微子)。

PKS B1424-418(pixeis)
PKS B1424-418(pixeis)
卡勒说,在过去的几年里,IceCube探测到的中微子能量水平可能比芝麻街三人组还要高,不过部分数据还在分析中。IceCube的科学家们已经分析了2010年和2011年探测到Ernie和Bert的原始数据集之外的另外4年数据。到目前为止,他们总共发现了54个额外的高能中微子事件。”这是一个伟大的时代,”Ojha说。 原文发表在英文版《Quanta》杂志上。

责任编辑:李文涵

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