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高能宇宙射线究竟来自哪里 科学家找到答案

冰立方(IceCube)天文台是全世界首屈一指的微中子侦测站,座落在南极洲阿曼森史考特南极站(Amundsen-Scott South Pole Station

冰立方(IceCube)天文台是全世界首屈一指的微中子侦测站,座落在南极洲阿曼森史考特南极站(Amundsen-Scott South Pole Station)下方冰层的深处。 PHOTOGRAPH BY SVEN LIDSTROM, ICECUBE, NSF VIA THE NEW YORK TIMES

(36500365uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE 编译:林宇威):高能宇宙射线究竟来自哪里,科学家找到了答案!这趟长远追寻的解答,将开启研究宇宙的全新方式。

科学家在南极冰层下方1.6公里深的地方,侦测到了一道闪光,这项发现和一种幽灵般的次原子粒子──「微中子」有关,不但可能解决百年来的宇宙之谜,甚至将开启天文学的新页。

1900年代初期,物理学家维克多.赫斯(Victor Hess)发现地球不断被来自外太空的高能粒子轰击,我们现在将这种粒子称为「宇宙射线」。从那以后,科学家就一直在寻觅──是什么样的天体能像超强大的粒子加速器一样,将这些极高能量的粒子喷发到宇宙之中。

不过,大多数的宇宙射线都带有电荷,而分散遍布整个太空的磁场会让宇宙射线行进的路径弯曲,因此科学家很难追随宇宙射线的踪迹,找到来源。这也就是为什么目前科学家专注于搜寻微中子,这种粒子不带电荷,也几乎没有质量,因此它们的路径能成为我们追寻源头的可靠指标。

位于南极洲的冰立方微中子天文台(IceCube Neutrino Observatory)是这项任务的领头羊,和其他一些天文台一起侦测到一小部分宇宙中的高能微中子,研究结果显示这些微中子来自非常遥远的星系。这项发现让天文学的新时代更添利器──想要研究解开www.36500365.com不只可以靠光子,更可以靠粒子。

冰立方天文台首席科学家──威斯康辛大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的弗朗西斯.郝尔琛(Francis Halzen)表示:「我们终于逮到了宇宙的粒子加速器了,毫无疑问,这让人太兴奋了!」他们在7月12日出版的《科学》(Science)和《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)期刊发表了三篇论文,公布这项研究结果。

一起弹跳吧!

在这之前,科学家就发现了来自太阳和邻近超新星残骸的微中子,但两者都没有足够的威力将最高能的宇宙粒子抛射到地球上。

由于微中子和其他类型的物质发生的交互作用非常微弱,因此光是要侦测到微中子就是件不简单的任务。现在就有数以兆计的太阳微中子正在经过你的身体。阿曼森史考特南极站下方的冰立方天文台有一立方公里的冰块,利用5160个光侦测器来探测宇宙微中子高速穿越地球时,与冰块中的原子核交互作用所产生的微弱闪光。

自从2013年以来,有几个极高能的微中子(科学家异想天开地以芝麻街人物为这些微中子命名)穿过极区冰层,被冰立方天文台的侦测器记录下来。但这些微中子令人沮丧的难以确认是来自单一天体,让科学家只能得到一些可能来源天体的线索。

真是美好的一天

一直到2017年9月22日,一个以接近光速前进的微中子呼啸穿过地球,撞击了冰立方天文台的侦测器。它所拥有的能量非常惊人,高达290 TeV──这比在大型强子对撞机(Large Hadron Collider)内运行的最高能量质子射柱强近50倍。此次撞击触发了通报系统,通知研究微中子的天文学家尽速展开追捕。

科学家追溯这条微中子的路径,目标指向了猎户座附近的一小块天区。好几个望远镜也几乎同时在此处观测到巨大的宇宙闪焰。

藏身在北方天空的一小块天区中,一个遥远、巨大,被称为「蝎虎BL型类星体」(blazar)的天体。被自己震醒,并且将高能粒子投射到太空中,其中还包括费米伽玛射线太空望远镜(Fermi Gamma-Ray Space Telescope)所侦测到的一群高能伽玛射线。

获得天文物理学博士学位的非裔美国女性,她在舞台上畅谈她对黑洞的热爱,以及她支持有色人种女性科学家的热情。

这些伽玛射线来自一个名为TXS 0506+056的巨大椭圆星系,在这个星系的核心有个翻腾不已的超大质量黑洞。黑洞不断吞食附近的气体和尘埃,因此不断向外喷射出极高能粒子,很刚好地朝地球的方向喷来。

「蝎虎BL型类星体是宇宙中最强大的天体。」普林斯顿大学(Princeton University)的玛利亚.佩卓布罗(Maria Petropoulou)说。在伽玛射线波段的天空,TXS 0506+056是最明亮的蝎虎BL型类星体之一。这是非常了不起的,因为它距离我们大约有40亿光年远,这也表示TXS 0506+056是产生这些高能宇宙射线的一个重要候选者。

「这很合理──它不可能是个很微弱的蝎虎BL型类星体,」欧洲南方天文台(European Southern Observatory)的保罗.帕多瓦尼(Paolo Padovani)这么说,「如果想要找到微中子,那它们一定是来自威力十足的野兽,否则你根本就不会看到微中子。」

在冰立方和费米同时侦测到讯号后的数天到数星期内,许多团队开始研究这个明亮的蝎虎BL型类星体。超过十几个团队以无线电波、可见光、X射线和伽玛射线……几乎是涵盖了所有波段的仪器,一起盯着这个天体进行观测。根据他们的研究结果看来,伽玛射线闪焰的确是来自于TXS 0506+056,同时也产生了冰立方在九月侦测到的微中子。

「如果费米太空望远镜没有及时观测到伽玛射线,那对我们来说只会是又一个微中子。对他们来说,也只是另一个来自蝎虎BL型类星体的闪焰。」郝尔琛表示。
但是,这些团队做的可不只这些。

回头检查

科学家马上回头检查费米伽玛射线太空望远镜之前对TXS 0506+056的观测结果,他们发现这个天体在2014年底,就曾发生超过五个月的闪焰爆发现象。冰立方团队也查看近十年来所观测的微中子数据,发现在那几个月里,有十几个高能微中子与南极冰层发生撞击。

郝尔琛说:「我们做梦也没想过会得到这么棒的资料──在150天的日子里看到了19个微中子,这实在让人难以置信!」

目前有两个独立的证据显示,TXS 0506+056正往地球抛出微中子,这表示科学家很可能发现了这些神秘粒子的其中一项来源。

还有别的可能性

劳伦斯柏克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的凯萨琳.祖瑞克(Kathryn Zurek)表示,这个发现「让人印象非常深刻,让我们往确定宇宙射线起源的目标又迈进了一步,这可是天文物理学上非常重要的难题。」

但是她和其他人也注意到了,事情还没尘埃落定。

「在我看来,这些观测结果强烈显示之间有关联性,但还无法下定论,」佩卓布罗说。 「还有其他的可能性,像是位在同一天区的其他天体也可能造成冰立方所探测到的微中子。无论如何,这些结果都让我们离揭开宇宙微中子的来源之谜更近一步。」

科学家也同意,我们所看到的宇宙射线不太可能全都来自蝎虎BL型类星体,所以他们仍在寻找这些高能粒子的其他来源。

「冰立方天文台所侦测到的微中子有可能来自很多种天体,」佩卓布罗说,「像是正在形成恒星的星系、相互作用的超新星、低光度伽玛射线爆发、星团中心的电波星系,和其他各种可能性」。




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