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宇宙射线是哪里来的?它来自黑洞,落在南极

Dennis Overbye2018-07-16 07:12:08

而你值得了解

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

它是你能想到最小的子弹,是比一个念头(thought)稍重的亚原子粒子,由超大质量黑洞这个宇宙级大口径枪自其引力枪管发射而出。

2017 年 9 月 22 日,一个叫作中微子的粒子从天而降,以光速穿过南极洲的坚冰,让名为冰立方天文台(IceCube)的探测器组警铃发出了声响。

几秒之内,冰立方就对一组天文卫星发出警报,其中包括费米伽马射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)。这个望远镜回溯了中微子的路径,在宇宙中发现了一个隐蔽的点:一个叫作 TXS 0506+056 的遥远星系。这个星系正对猎户座左肩,发射出高能量的 X 射线和伽马射线。

正当世界各地的天文学家争先恐后地涌到天文望远镜前、加入这场狂欢时,冰立方的科学家搜罗了此前的数据,发现这个星系之前也有中微子爆发的记录。他们称其为“德克萨斯源”(Texas source),记录中还包括 2014 和 2015 年发生的一次大型中微子爆发。

天文学家表示,这项发现为物理学和宇宙一个奥秘提供了探寻已久的线索。被称为宇宙射线的太空高能粒子雨从何而来?

长期以来,人们都在怀疑它们来自类星体。类星体是星系中心的超大质量黑洞,被捕捉的物质经旋转形成甜甜圈状,物质和能量会像被挤的牙膏一样,从上下两头暴烈地喷射而出。

现在,科研人员至少找到了一个例子,即 TXS 0506+056。它是一种被称为耀变体(blazar)的类星体,对其进行观测的我们通常处于喷流的“下游”。耀变体一词本身来源于蝎虎座 BL (BL Lacertae),它是首个被发现的耀变体。

“我们已经找到了宇宙射线的第一个来源,”冰立方天文台主任、威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔曾(Francis Halzen)曾在接受采访时说。

“至于中微子到底产生自这个活跃星系的哪个确切位置,还存在争议,”他在邮件中补充说,“我们可以确定的是,超大质量黑洞为其提供了加速器的力。”他补充道,其背后的作用机理还是一个谜。

这一发现正被公诸于世:一批国际物理学家和天文学家已经在《科学》和《天体物理学报》(Astrophysical Journal)发表了论文,美国国家科学基金会(National Science Foundation)赞助的新闻发布会也公布了这一消息。位于阿蒙森-斯科特南极站(Amundsen-Scott South Pole Station)的冰立方中微子天文台正是由该基金会资助的。

“我认为这才是来真的,”夏威夷大学的中微子专家约翰·勒尼德(John Learned)在一封电子邮件中说,他不属于冰立方团队,“是我们梦想了几十年的高能中微子天文学的真正开端。”他补充说:“我们将开始深入了解宇宙中最具活力的物体。”

中微子是宇宙中最丰富的粒子之一,数量远超构成我们的质子和电子。它们没有电荷,质量很小,尚未得到准确测量。它们只会在重力和所谓的弱核力作用下与其他物质产生交集,并因此像幽灵一样穿过我们、地球以及好几公里厚的铅。

理论上,它们无处不在。它们由其他粒子的放射性衰变产生,使我们免受太阳核反应、遥远的超新星爆炸甚至宇宙大爆炸的影响。中微子天文学的上一个伟大时刻发生在 1987 年:当时,地球上的三个探测器记录到了大约 25 个中微子,同时发生的还有在附近星系大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)中的一起超新星爆炸。

中微子对天文学的吸引力在于,我们可以追溯其起源。他们不仅可以以光速长距离飞行,而且能穿过其他物质无法穿透的星球核心等地。由于没有电荷,它们不会受到星际和星系际磁场影响,对于可以改变其他类型宇宙粒子(如质子和电子)路径的影响力,它也视若无物——正如爱因斯坦引力理论所言,中微子在宇宙中笔直地穿梭。

冰立方是一个由 12 个国家的 300 名科学家组成的国际观测站,装备着 5000 多个敏感的光电倍增管,这些管网格状嵌在南极一立方公里的冰立方中。当中微子非常、非常、非常、非常、非常罕见地撞击冰中的原子核时,会产生一种叫作契伦科夫辐射(Cerenkov radiation)的蓝色辉光,在冰中扩散开来并被光电倍增管测量到。

哈尔曾博士说,冰立方是为了找到宇宙射线的来源而建设的。自 2011 年开始工作以来,天文台一直在记录中微子,但直到现在才找到了来源。他说,原因之一在于,科学家假定它们的来源就在附近,甚至可能就在我们的银河系中。

但哈尔曾博士表示,德克萨斯源 TXS 0506+056 非常遥远,距我们四十亿光年,是宇宙中最亮的星体之一。

2017 年引发警报的中微子具有约三百万亿电子伏特的能量。电子伏特是物理学家更青睐的能量和质量单位。这意味着,它是由一个可以加速同等能量的质子产生的,这些能量是地球上最大的粒子加速器欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(Large Hadron Collider)能够产生的能量的 50 倍。

先叫它空中大型强子对撞机(Large Hadron Collider)好了。假设它是某种在某个遥远星系中心轰鸣的超大质量黑洞,目前,这个宇宙加速器如何运作仍然成谜。

《天体物理学报》主笔、宾夕法尼亚州立大学的阿扎德·凯瓦尼(Azadeh Keivani)试图对其进行建模,他写道,“通常来说,一个耀变体的质量大约是 10 亿个太阳的质量”。

这个来源有什么特别?为什么它这么遥远?这样的耀变体产生了所有的中微子和我们看到的所有宇宙射线吗?哈尔曾博士说,这些都是需要回答的问题。

幸运的是,在过去几个月中,世界各地的天文望远镜收集了大量的数据。天文学家喜欢称之为“多信使天文学”(multi-messenger astronomy),以期在这些问题和其他问题上取得进展。宇宙中微子的观测才刚刚开始。 冰立方的议程表还长得很。

哈尔曾博士指出,德克萨斯源在过去九年中只爆发了两次,“这不会是个平常事件。”

冰立方的成本约为 2.5 亿美元,几乎没有什么需要操作的,因为它全被冻在冰里。哈尔曾博士说,现在他用笔记本电脑操作它。

他们留了两个人在南极。他表示,“理想状态下,他们无事可做。”


翻译:熊猫译社 王满地

题图版权:Felipe Pedreros, IceCube/NSF

© 2018 THE NEW YORK TIMES

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