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科学家捕获100亿光年外的中微子隐藏着什

时间:2019-01-28 20:02:47| 来源:| 编辑:笔名| 点击:0次

科学家捕获100亿光年外的中微子,隐藏着什么奥秘?

这是人类首次确认的银河系外超高能中微子事件,意义非凡。从1930年泡利提出中微子假设到今天,已经有4次诺贝尔物理学奖颁发给了在中微子研究中取得突破的科学家。或许,宇宙的终极奥秘就隐藏在中微子里。

2013年11月21日由美国国家科学基金会提供的照片显示的是位于南极站的冰立方天文台,这是世界上最大的中微子探测器。

在最新一期《自然物理学》杂志上,德国科学家领导的国际科研团队报告称,位于南极冰层下的中微子探测器冰立方(Ice Cube)于2012年发现了超高能中微子;如今,他们首次为其找到了一个位于银河系外的源头约100亿年前,在一个星系中央,有一个超大质量的黑洞,它爆发出的强烈光芒直到2012年才到达地球。天文学家利用空间和地面不同的观测手段,分别记录到显著的高能中微子。这极有可能是人类第一次探测到来自遥远银河系外的高能中微子。

这是一个极其重要的研究成果

科学家捕获100亿光年外的中微子隐藏着什

,但媒体的关注度并不高。今天,我们来做一次深度解析。

中微子:极难捕获的小精灵

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。虽然中微子的数量远远超过宇宙中所有的原子,但是它们的质量非常小,不带电,而且很少与其他物质发生相互作用,穿透能力极强,这让检测中微子成为一项巨大的挑战。

同样也是由于这种性质,在光受到阻碍不容易逃脱的地方(如尘埃、暗物质等),中微子却可以快速离开。在很多研究中,仅靠光子传递的信息,可能不足以让我们了解到天体的变化过程及其环境,中微子或许可以弥补这一不足。

中微子很少与其他物质相互作用,只有在极少情况下,中微子才会撞到原子,产生能发出一种蓝色闪光的带电粒子,如电子或子,这种称为切伦科夫辐射的蓝色闪光能被冰立方探测到。

2013年11月21日由美国国家科学基金会提供的照片显示的是钢缆串联的光学传感器深入冰层。多国研究人员在美国《科学》杂志上说,他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。

冰立方这个巨大的望远镜建在南极深达2.44公里的冰原下,1立方千米的空间里埋有5160个光学传感器,整个项目耗资2.79亿美元。2012年12月4日,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,或相当于将1万亿倍牙医用的X射线的能量浓缩在一个质量只有电子百万分之一的粒子上!如此高能量的中微子理应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。美国科学家还十分幽默地用儿童电视节目《芝麻街》中的大鸟命名这个特殊事件。这只大鸟产生的中微子能量在历史上排名第二,在过去几年中,科学家一直在搜寻是什么劲爆的天体活动产生了它们。

最近有好消息传来,科学家在美国航天局费米伽马射线太空望远镜的历史资料中,找到了端倪。他们发现自2012年夏天开始,费米上的广角望远镜(LAT)目击了一个天体亮度激增现象。经判断,这是一个产生强烈伽马射线的耀变体,距离地球90多亿光年。这个天体被命名为PKS B。

耀变体:照亮宇宙的闪光灯

耀变体是什么?先介绍另一个大家或许听说过的天体类星体。类星体并不是恒星,而是一个星系的核心部分,是活动星系核。大家都知道星系吧,大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞,质量是太阳的数百万倍至上百亿倍不等。超大质量黑洞让星系核心区域的恒星更为密集,看上去核心的亮度很高。

天文学家估算出类星体发出光学辐射的区域很小,只有几光天到几光年。然而如此小的发光区域,每秒钟释放的能量却比体型上比它大几十万甚至几千万倍的普通星系大上千倍!于是我们看到整个活动星系的70%甚至更多的范围,都被星系核的强光照亮了。不过这种星系往往十分遥远,距离基本都在100亿光年开外!所以从地球上看,与一个点状的恒星相仿,因此得名类星体。

能量惊人的类星体(来源:搜狗百科)

细想一下,一个星系核几乎可以照亮整个宇宙,这是多么可怕的能量!类星体不仅可以在光学波段看见,也可以在射电波段看见,也少不了X射线和伽马射线。类星体中心的超大质量黑洞在吸积附近物质的同时,在垂直于吸积盘的两极方向还会产生强烈的等离子体喷流,这个过程中也会产生数量庞大的高能中微子。

解释完类星体,那么耀变体也就不难理解了。耀变体是一种活动星系核。如果喷流的方向与观测者的视线方向非常接近,这类活动星系核被称为耀变体。和类星体一样,耀变体发出的光的强度一般都存在变化,而且喷流是冲着地球的方向,由于相对论效应,耀变体看上去会更亮些。如果角度完全重合,那么从地球上观测到的亮度则可能达到本身发射亮度的数百倍。这就能解释为什么在费米望远镜中,PKS B的影像会突然增加,成为天空中最耀眼的天体(指高能波段)。在长达一年的爆发期间,PKS B的伽马射线比平均水平提高了1530倍。如果把脉冲星比喻成宇宙灯塔的话,那么耀变体就是一个对着你眼睛直射的闪光灯。

冰立方、费米锁定嫌疑人

冰立方找到了高能中微子,费米找到了嫌疑人PKS B,科学家希望找到更多的目击证人。

一个分布在智利、南非、新西兰和南极洲,覆盖了全部南方天空的射电望远镜络TANAMI项目提供了极其有价值的线索。年间有3个观测记录与费米望远镜观测到的伽马暴相吻合,观测表明星系核的射电流强度增加了4倍,而在项目运行过程中没有检测出其他星系有类似的变化。

如果把活动星系产生的射电和伽马射线数据放到一块儿分析,就能得出一个结论:中微子事件和活动星系爆发在时间和方向上是一致的,由此可以推断出冰立方发现的高能中微子极有可能来自银河系外,而且是约100亿光年超远距离上一个活动星系的爆发。事件上的一致性,也说明爱因斯坦应该是对的,中微子的速度与光速接近,并没有超越光速。在历史上著名的超新星SN1987A事件中,地面观测站在望远镜发现亮度激增前3个小时就率先捕获到中微子,一度产生了中微子速度大于光速的质疑。

虽然理论上还不是100%确定,但科研人员获得了95%的相关性,是迄今为止最高的。这是人类首次确认的银河系外超高能中微子事件,意义非凡。中微子是当前物理学研究的最前沿话题之一,从1930年泡利提出中微子假设到今天,已经有4次诺贝尔物理学奖颁发给了在中微子研究中取得突破的科学家。或许,宇宙的终极奥秘就隐藏在中微子里。