黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子

  北京新浪网

　　来源：中科院高能所

　　今天出版的Science杂志刊登封面文章，“冰立方”中微子天文台找到耀变体发射超高能中微子的证据。

　　冰立方（（IceCube）是美国设在南极洲极点处的中微子天文台。它由分布在1立方公里内的86串光传感器（光电倍增管）构成，每串60个，位于冰层下1450米到2450米。当高能中微子被冰俘获，产生带电粒子，穿过传感器阵列，将产生切伦科夫光，从而被探测到。

　　2017年9月22日，冰立方探测到一个能量为290 TeV的中微子。作为对比，目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能把粒子加速到7 TeV。

　　冰立方的主要科学目标是通过中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此，它建立了一个预警网络，对每个超高能中微子，实时重建出其方向，发布给其它望远镜，以便通过射电、光学、伽玛等波段观测对应的天体活动。观测到这个中微子后43秒，自动预警信息发出。4小时后伽玛射线协作网发出通知。

　　刚开始，几个天文台并没有看到任何反常信号。6天后，费米卫星首先报告，在冰立方给的方向仅相差0.1度的地方，有个一个月前就开始闪耀的耀变体，开始变得特别明亮。很快，十几台射电、光学、伽玛望远望也观察到了显著信号，比如大西洋上的MAGIC大气切伦科夫望远镜。

　　高能宇宙线起源之谜

　　耀变体（Blazar）是活动星系核的一种，是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能，或者黑洞的转动能量，转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向我们的视线，就构成耀变体。

　　高能宇宙线的起源是百年之谜，我们既不知道它们从哪儿来，也不知道其加速机制。人们猜测它的来源可能包括中子星、伽玛射线暴、极端超新星、活动星系核等。

　　在耀变体喷流中，带电粒子可以加速到极高能量。由于带电粒子受宇宙中磁场的偏转，当它们到达地球时，我们并不知道它们来自何处。也许它们已在银河系中旋转了几十圈，才飘飘荡荡地抵达地球。被喷流加速的质子或者核，与物质相互作用时能产生高能介子，最终衰变成光子和中微子，而中微子是不受磁场干扰的，能够直指源头。看到290 TeV的中微子，意味着耀变体喷流可以产生至少几万TeV的质子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。

　　谜底解开了吗？

　　实际上2016年冰立方就报道了活动星系核与高能中微子的关联，相关性为95%，从严格的科学标准来看并不够高，因此存在争议。

　　在发现这个中微子后，冰立方重新检查了以前的数据，在这个方向上又找到一些中微子，使相关性达到了99.9%，约为3.5倍标准偏差。不过离科学发现的5倍标准偏差标准还差一点。

　　冰立方计划近期开始升级，将体积增大10倍。即便现在的结果不足以让人信服，未来也肯定能毫无争议地确定答案。

　　有意思的是，冰立方也可以在其中心一小块区域加大光传感器的密度，更准确地探测大气中微子，从而确定中微子的质量顺序（这个实验称为PINGU），而这是建设中的江门中微子实验的主要科学目标之一。假如PINGU实验得到高优先权的话，将是江门实验最有力的竞争对手。不过项目团队经过旷日持久的讨论，将优先权放在了扩大冰立方阵列上。毕竟，质量顺序有多个实验可以做，而冰立方只有一个。

　　歪打正着的理论家


　　冰立方与引力波天文台LIGO是美国科学基金委支持的两大项目。跟LIGO几个不着调的倡议者一样，冰立方天文台的创建者弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）也是理论家。他曾说，假如他有点实验经验的话，就不会提出做冰立方实验，因为他不知道一般冰中会有大量气泡，光子散射非常严重，导致无法重建出中微子的方向。可是实验建成后，出人意料地发现南极地底的冰跟别处不一样，上万年的压力将冰压得非常密实，光散射问题比预想要好得多。

　　赫尔任显然是未来诺贝尔奖的有力候选者，希望他能长寿。

　　附：高能中微子：窥见远古宇宙（弗朗西斯·赫尔任著，曹俊译）

　　附2016年新闻：

　　超高能中微子的银河系外之“家”获证实

　　或将开启中微子天体物理学新时代

　　科技日报北京4月20日电 （记者刘霞）德国科学家领导的国际科研团队在最新一期《自然·物理学》杂志报告称，位于南极冰层下的中微子探测器“冰立方（IceCube）”曾在2012年发现了超高能中微子，现在，他们首次为其找到了一个位于银河系外的源头，这一重大发现有可能开启中微子天体物理学的新时代。

　　中科院高能物理研究所曹俊研究员对科技日报记者解释称，在宇宙大爆炸时期，中微子是产生得最多的粒子之一，现今仍大量产生于恒星内部的核反应，以及宇宙射线撞击地球大气层的过程。

　　中微子的质量非常小，不带电，很少与其他物质相互作用，很难被探测到。不过，在极少情况下，中微子会撞到原子，产生能发出一种蓝色闪光的带电粒子，像电子或缪子，这种蓝色闪光能被“冰立方”探测到。

　　2012年，“冰立方”发现了有史以来能量最高的中微子，其能量高达2000万亿电子伏特，这比大型强子对撞机产生的高能质子还要高300倍，如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。在过去几年中，科学家一直在搜寻可能产生它们的奇异天体活动。

　　最近，科学家们对来自距离地球90亿光年之外的“PKS B1424-418”活动星系产生的射电和伽马射线数据进行了分析。结果表明，中微子和活动星系爆发在时间和方向上一致，由此，推断出中微子可能来自此银河系外活动星系的爆发，使其成为首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。

　　南京大学天文与空间科学学院王祥玉教授接受采访时表示：“尽管目前科学家们还不能排除巧合，无法100%确信这一中微子来自此活动星系，但高达95%的相关性是迄今最高的。最新研究表明，可能有一部分中微子来自银河系外的活动星系，有助于科学家们进一步厘清高能中微子的来源。”

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