高能天文學謎團重大突破,IceCube 探測器首確認宇宙微中子來源

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 13 日 15:37 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

自宇宙射線發現以來,天文學家為了解開它們的起源地幾乎要抓破頭皮,有一種稱為微中子的幽靈粒子可以幫助解開奧秘,但我們需要有追蹤微中子的技術與儀器。終於,位於南極的 IceCube 探測器辦到了!這是科學家第一次匹配宇宙微中子起源,來自距離地球 40 億光年遠的耀變體 TXS 0506 + 056。



首先講講宇宙射線與微中子的關係。超高能宇宙射線是帶電的高能亞原子粒子,99% 為質子和氦原子核(即 α 粒子),由奧地利物理學家 Victor Hess 在 1912 年證實來自外太空而不是地球上的放射性元素,能量可達 10 ~10 20  電子伏特(比 1 億兆還要高),比地球最強人造粒子加速器「大型強子對撞機(LHC)」粉碎質子的能量還要高出 1,000 萬倍。

但因為宇宙射線是帶電粒子,行進路徑只要遇到磁場就會被偏轉(所以地球偏轉掉大部分危險宇宙射線),因此我們不可能追蹤出它的起源點,這就是為何科學家始終解讀不了宇宙射線來自何方的阻礙。

而微中子雖然同樣精力充沛,卻不帶電荷(電中性),即便路過最強大的磁場也不會被轉移焦點,自生成後就以趨近光速的速度在太空中直線前進,加上這些幽靈粒子只參與弱交互作用和重力交互作用,因此除非它撞到其他物質產生相應的帶電粒子,否則很難發現;也就是說,微中子可以輕易穿過行星、恆星、星系、星際塵埃等一般物質,就像子彈打過霧一樣輕鬆且不易改變本質。

最重要的,無論是帶電的宇宙射線粒子還是不帶電的微中子粒子,實驗證據表明兩者都會在質子加速器中產生,地球上的質子加速器為 LHC,那麼宇宙的質子加速器是誰?等我們找出宇宙微中子的起源就知道了。科學家相信,只要能找到微中子起源,就等同於找到宇宙射線起源。

▲ 微中子與冰分子相撞產生相應的帶電粒子。(Source:IceCube

去年,科學家首度確認超高能宇宙射線來自銀河系外,但仍不知道宇宙射線具體到底來自哪個星系、哪種天體;今年初,一個全新模型同時解釋了超高能宇宙射線、高能微中子和高能伽馬射線這 3 種擁有極端能量的粒子,可能都來自同一地方:超大質量黑洞的噴流加速產生。

現在,座落於地球南極冰層深處的冰立方微中子天文台(IceCube)終於找到宇宙高能微中子的起源了!

冰立方微中子天文台(IceCube)於 2005 年開始建設、2010 年 12 月 18 日完工,是世界上最大的微中子望遠鏡,目標旨在抓出微中子起源地,進一步解謎困惱科學家逾半世紀的超高能宇宙射線來源。

去年 9 月 22 日,IceCube 發現了一顆中微子 IceCube-170922A,其攜帶能量高達 300 TeV(在大型強子對撞機中循環繞行的質子能量為 6.5 TeV)。望遠鏡立刻響起警報,1 分鐘內通知全球合作望遠鏡投入檢測。

IceCube 可以推斷微中子的能量水平並追溯來源,告知其他望遠鏡微中子來自獵戶座附近,幾天內,兩個伽瑪射線望遠鏡:美國太空總署(NASA)費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)及魔法望遠鏡(Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope,MAGIC),率先在相同方向、相同位置探測到高能伽馬射線,來源是耀變體 TXS 0506 + 056,距離地球 40 億光年、位於一個巨大橢圓星系的心臟。

(Source:NASA

耀變體(blazar)也被稱為活躍星系核(AGN),被假定為處於寄主星系中央的超大質量黑洞,是目前已觀測宇宙中最劇烈的天體活動現象之一。

科學家再回頭查看費米望遠鏡之前對 TXS 0506 + 056 的觀測結果,發現 2014 年底左右,同一物體爆發爆發長達 5 個月時間;IceCube 團隊回頭查看近 10 年的微中子數據時,也發現在那幾個月裡,有十幾個高能微中子撞上南極冰。

再經過後續各項研究分析,單一微中子與伽馬射線來自相同方向的巧合機率只有千分之一,換句話說不可能是巧合,科學家能確定耀變體 TXS 0506 + 056 釋放之高能輻射與微中子攜帶能量相匹配。

這場突破有助於解決天體物理學和天文學中最古老的問題,至少我們已經證明了耀變體就是宇宙中生成高能微中子和宇宙射線的質子加速器。

(首圖來源:IceCube

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