中微子探測為天文學(xué)研究帶來了哪些方面的新的技術(shù)提升？

刊登在最新一期《科學(xué)》雜志上的二篇有關(guān)中微子探測的論文受到了國際媒體的熱情關(guān)注。新的發(fā)現(xiàn)發(fā)生在那遙遠(yuǎn)的地方，在真正的天涯海角——南極極點(diǎn)，在千年凍結(jié)的冰原之下，有一座稱之為“冰立方”(IceCube)的中微子天文臺。2017年9月22日該天文臺的計(jì)算機(jī)測試到了能量高達(dá)300Tev的中微子，它比人類最強(qiáng)大的日內(nèi)瓦大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生的最大能級還要高30倍。

“冰立方”中微子天文臺示意圖，實(shí)驗(yàn)觀測主設(shè)備在南極冰層的1公里以下，地面建筑是數(shù)據(jù)處理中心和辦公室。

當(dāng)極高能量中微子到來時，冰立方實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者卡爾教授(Albrecht Karle)正在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的辦公室里為將要開始的南極之旅做準(zhǔn)備。 冰立方每年檢測到大約50,000個中微子，但其中只有大約10來個處于非常高的能量，這通常表明它們來自銀河系之外的遙遠(yuǎn)星系。被稱為IceCube-170922A的極高能中微子的出現(xiàn)讓平日不茍言笑的卡爾教授興奮不已，幾分鐘后冰立方天文臺發(fā)出的特急警報(bào)傳遍全球相關(guān)天文臺，請求對該事件進(jìn)行協(xié)同觀測核對。

接到冰立方警報(bào)幾天之后，在Kanata工作的日本天文學(xué)家田中教授從數(shù)據(jù)分析中意識到中微子的來源指向了一個稱之為TXS 0506 + 056的星系，夾角僅差十分之二度。TXS 0506 + 056星系是四十年前德克薩斯州的射電望遠(yuǎn)鏡首次觀測到的，正確地說它屬于耀變體(blazar)，這是一類極其活躍的星系，以其劇烈的輻射以及難以預(yù)測的行為而著稱，耀變體的核心是一個超大質(zhì)量的黑洞。

田中教授與費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目有合作，該望遠(yuǎn)鏡每天掃描拍攝整個太空的伽馬射線圖像，十多年來積累了大量數(shù)據(jù)。田中搜索了費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)庫，不查不知道，一看嚇一跳，他發(fā)現(xiàn)TXS 0506 + 056星系自同年4月以來一直光芒閃耀。于是他立即發(fā)出了第二個警報(bào)，請求更多的天文臺站對TXS 0506 + 056在伽馬射線和可見光范圍作更為詳細(xì)的觀察研究。

MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes)是世界上分辨率最高的高能伽馬射線望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，它位于大西洋中加那利群島，海拔約2200米，靠近非洲西北部，是西班牙飛地和自由港。得到警報(bào)后的幾天里，MAGIC地區(qū)一直霪雨霏霏。等到云散霧開，MAGIC探測到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線，能量高達(dá)400GeV。

請看圖片2，圖中右上角是圖中央?yún)^(qū)的局部放大。粉紅色小方塊是TXS 0506 + 056星系的位置，蘭色小園是費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡對伽馬射線源的定位區(qū)，黃色環(huán)線是MAGIC對伽馬射線源的定位區(qū)，灰色環(huán)線是“冰立方”對中微子源的定位區(qū)。從天空到地上探測到的高能伽馬射線與南極冰下探測到的高能中微子的發(fā)源區(qū)域高度重合，同時指向TXS 0506 + 056星系。

“冰立方”中微子天文臺、費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡和MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)顯示高能中微子和伽馬射線來源與TXS 0506 + 056星體位置高度重合。

隨后全世界有關(guān)天文臺的長槍短炮全都瞄準(zhǔn)了TXS 0506 + 056星系，收集到了從伽馬射線一直到可見光的各種頻譜的電磁輻射。有多達(dá)18個天文臺測到了明確的信號，詳見圖片3。

對應(yīng)于高能中微子IceCube-170922A，全球有18個天文臺探測到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線和其它電磁輻射。圖中三角體代表太空望遠(yuǎn)鏡，小園球代表地面天文臺，藍(lán)色代表探測到信號，紅色代表沒有探測到信號。

冰立方中微子天文臺位于南極極點(diǎn)，在冰川之下科學(xué)家們開鑿出了86個深達(dá)2800多米的豎井。在每個豎井中懸放了電纜，電纜上聯(lián)接了60個球型的數(shù)字光學(xué)傳感器DOMs(Digital Optical Modules)。這些傳感器從地面1500米以下依次排列直至深達(dá)2800米的豎井底部。位于地面1500米深處總共5160只傳感器構(gòu)成了冰立方中微子探測的主體，這個正六方體探測陣列的容積約為一立方公里，相當(dāng)于北京水立方的一千倍，這中間的冰水足可灌滿一百萬個標(biāo)準(zhǔn)游泳池。整個項(xiàng)目化費(fèi)2億7千萬美元，主要由美國國家科學(xué)基金會資助。

把中微子探測中心放于南極極點(diǎn)的地下深處可謂用心良苦。因?yàn)楸划a(chǎn)生自然輻射，把探測器埋到深處可以過濾掉宇宙中除了中微子之外的各種其他輻射。南極深處冰層經(jīng)千百萬年的凍結(jié)壓積，其內(nèi)部少雜質(zhì)無氣泡像一塊純凈的水晶體，它具有優(yōu)良的光學(xué)特性，這與天文望遠(yuǎn)鏡要求高質(zhì)量的光學(xué)透鏡有著某種類似之處。中微子與介質(zhì)中原子碰撞產(chǎn)生契倫科夫輻射（Cherenkov radiation）會產(chǎn)生一種特殊的藍(lán)色幽光，探測中微子的本質(zhì)就是對這些蘭色幽光的精準(zhǔn)測量，純凈的各向同性的冰介質(zhì)是這種精準(zhǔn)測量的基本保證。

“冰立方”中微子天文臺工作原理示意圖。

“冰立方”中微子天文臺構(gòu)成示意圖。

冰立方感興趣的只是來自遙遠(yuǎn)星系的高能中微子，但是地球外層空間受宇宙射線激發(fā)產(chǎn)生數(shù)量巨大的中微子，它們每時每刻都在轟炸著“冰立方”，它們也會在冰立方中產(chǎn)生蘭色的幽光。要在百萬以上中微子背景輻射中捕獲少數(shù)高能中微子，這個過程要比草堆中尋針還要難千倍。

好在不同能級不同方向進(jìn)入“冰立方”所產(chǎn)生的契倫科夫輻射的軌跡、偏振、形狀和持續(xù)時間都是不同的，這些輻射產(chǎn)生的幽靈蘭光被位于不同位置上的傳感器在不同時刻采集下來，立即作數(shù)字處理后由電纜集中送到冰立方地面上的計(jì)算機(jī)中心。通過復(fù)雜的信號處理，“去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里”，最后把來自遙遠(yuǎn)星系的高能中微子訪客捕獲?，F(xiàn)代先進(jìn)的信號處理技術(shù)是近年來天文物理學(xué)突飛猛進(jìn)的關(guān)鍵，引力波的發(fā)現(xiàn)就是一個最好的佐證。測量引力波需要分辨質(zhì)子尺度千分之一的長度變化，沒有現(xiàn)代信號處理技術(shù)是完全不能設(shè)想的。

高能中微子一定來自高能激變的天體，這次被精準(zhǔn)定位的TXS 0506 + 056就是耀變體(blazar)，這是一類極其活躍的星系，它的核心是一個超級大黑洞。當(dāng)鄰近恒星路過巨大黑洞時，會引起“潮汐撕裂事件”被黑洞吞噬[1]。因?yàn)楹诙幢旧淼男D(zhuǎn)在其附近空間引成強(qiáng)磁場，被高速吸入的部分恒星氣體在磁場作用下沿著黑洞自旋軸方向加速彈出，引成接近光速的“相對論性噴流”(relativistic jets)。在這股噴流中被超級加速的質(zhì)子彼此碰撞或與光子碰撞時，結(jié)果是產(chǎn)生π介子。帶電的π介子衰變?yōu)棣探樽雍挺探樽又形⒆?，而中性π介子又衰變成伽馬射線。耀變體的“相對論性噴流”就成為了燿眼的光芒、伽馬射線暴和高能中微子的同一源頭。

高能中微子在多信道、多手段天文觀測中將起到不可替代的作用。中微子不帶電荷、幾乎不與其它任何物質(zhì)相互作用，被稱為宇宙中的“隱身人”。“無欲則剛”，中微子在行進(jìn)中不受阻礙，一條道走到黑絕不拐彎。所以根據(jù)中微子軌跡很容易對重大天文事件定位。今后，中微子探測將成為多信道天文學(xué)(multi-message astronomy)觀測的重要手段。

2017年8月17日引力波探測導(dǎo)致雙中子星并合事件的發(fā)現(xiàn)。僅一個月后，2017年9月22日高能中微子探測把伽馬射線暴與高能中微子的源頭定位在TXS 0506 + 056星系上。這兩個事件的科學(xué)意義無論怎樣強(qiáng)調(diào)也不算過分。

1609年的秋天，偉大的物理學(xué)家伽利略舉起自制的望遠(yuǎn)鏡朝向星空，是人類天文物理的第一次突破。四百多年來，人類制作了各種各樣的光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡在天文觀測中取得了豐碩的成果，但是所有這些設(shè)備都是基于對電磁輻射的觀察測量，直到2017年人類又獲得了引力波和高能中微子這兩種新的測量方法。2017將以多信道天文學(xué)的開啟之年在人類的科學(xué)進(jìn)步史冊上留下不可磨滅的印記。

最后談二點(diǎn)個人看法：

1）與本次事件相關(guān)的兩篇最新論文的分析都是3-sigma等級，3-sigma等級意味著論文的結(jié)論有相當(dāng)高的置信度?？茖W(xué)家一般要求達(dá)到5-sigma閾值標(biāo)準(zhǔn)才將研究結(jié)果確定為“重大發(fā)現(xiàn)”，這是粒子物理學(xué)研究的通常做法，但天體物理及其它一些物理領(lǐng)域要達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)比較困難。讓我們以謹(jǐn)慎的熱情歡迎本次發(fā)現(xiàn)，并耐心等待進(jìn)一步的探測和更多數(shù)據(jù)的到來。

2）高能中微子實(shí)驗(yàn)純屬基礎(chǔ)科學(xué)研究，主要的意義在于加深人類但宇宙、高能物理和基本粒子的理解和認(rèn)識。在相當(dāng)長的時期中，中微子都不會有什么實(shí)際應(yīng)用價值，希望不會有人去開展中微子通信之類的工程活動。