100年后，科学家解开宇宙射线起源之谜

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1912年，奥地利的物理学家Victor Hess在乘坐的热气球上发现了来自于太阳之外的高能射线，能量巨大，远非人力所能创造，所以非常好奇它们的来源。

尽管在接下来很长一段时间，都没人研究明白这些高能射线到底是如何产生、又是从哪儿来的，但因为这项发现的重要性，HESS还是获得了1936年的诺贝尔物理学奖。

时隔一百多年，宇宙射线的起源这个悬而未决的问题，终于显露了一些答案。

就在前两天，美国自然基金委员会召开了一次发布会，宣布美国南极冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory )望远镜追踪到了一个遥远耀变体（Blazar）中的高能宇宙中微子，这个耀变体正是产生高能宇宙射线的源头之一。

《科学》杂志封面展示了冰立方中微子天文台球形数字光学模块（DOM）的艺术渲染图（图片来源：amie Yang and Savannah Guthrie/IceCube/NSF）

宇宙射线为何要用中微子来测？宇宙射线通常是指能量非常高的带电粒子。因为带电，所以在传播的过程当中，即使不与星际气体相互作用，在有宇宙磁场存在的情况之下，也会发生偏转的现象，所以即使在地球上能够探测到宇宙射线，因为方向发生偏转，也不是原来产生源的方向，所以产生源一直没有得到确认。

然而，科学家们通过理论研究以及观测证实，宇宙射线与周围物质相互作用，会产生带电的介子，介子很不稳定，会很快衰变产生我们所看到的中微子和其它的粒子，所以通过观测中微子，我们就以此可以推断宇宙射线的来源。中微子的优势是不带电，所以在传播的过程当中，不会受到磁场的干扰。这样，通过中微子的传播方向就可以推断天体源的方向，同时探测宇宙射线的性质。

但是，宇宙射线不仅仅会与产生源附近的物质相互作用产生中微子，当宇宙射线到达地球之后，和大气相互作用，同样也会产生中微子以及其他粒子。

这时候就出现了一个问题，如何区分这两种不同的中微子呢？这就涉及到相对比较复杂、专业的知识，那就是中微子能谱。这两种方式产生的能谱差别比较大。

耀变体是什么？

产生此次中微子的天体源总体而言属于类星体。

我们知道，几乎在每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞，当中心的黑洞吸积周围气体的时候，这些气体就会在其周围形成一个吸积盘，在逐渐掉入到黑洞的过程当中，会产生比较明亮的辐射。

科学家制作的黑洞吞噬恒星时吸积气体形成离子喷流过程的艺术渲染图(图片来源：约翰霍普金斯大学Amadeo Bachar)

在某些情况下，当吸积的气体比较多的时候，部分气体就会沿着黑洞的转动方向，在磁场的作用之下，沿着黑洞的转动方向喷发出去，形成我们通常所说的喷流。这个喷流是由高速粒子构成的。这些高速粒子从所在的喷流出逃逸出去之后，就是我们所说的宇宙射线，喷流也就是宇宙射线的产生地。

因为产生辐射的喷流和吸积盘的尺度相对较小， 而且这些天体距离我们较远，所以在小型望远镜中，它们看起来像一个恒星，这也是为什么在最早的时候，科学家将它们命名为类星体。

刚刚提到的喷流，在大部分情况中，都不会指向我们地球观测者的方向，只有在极少数情况下，会碰巧指向我们。当喷流指向地球的时候，就会显得异常明亮，天文学当中就把这类天体称之为耀变体，这次看到的天体就是一个耀变体。

在南极深藏功与名的IceCube

这次探测中微子的设备叫IceCube，它的英文全称是冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory )，是由威斯康辛大学主导的一个项目。

这个项目开始于2005年，完工于2010年。

在2013年11月的时候，宣布探测到了28个来自于太阳系之外的中微子，而就在昨天晚上，宣布确认了高能中微子的产生源，耀变体TX0506+05。

位于南极洲的IceCube。（图片来源：IceCube/NSF）

这个天文台是由高能中微子探测器组成，所有探测器都位于南极冰下大约1立方公里的体积之内，可以说是真正的“深藏”功与名了。

探测器包含了86个垂线整列，从表面延伸到冰下大约2450米的地方，不过探测器都是位于底部大约1公里的长度上，均匀间隔地安装着大约60个光学探测器（光电倍增管）。

我们看到这个探测器的体积非常庞大，为什么需要这么大呢？最主要的原因就是中微子与冰发生作用之后，会产生带电粒子，这些粒子以将近光速的速度在冰里运动，很容易穿行好几公里。所以需要非常非常庞大的探测器系统来进行追踪。

当粒子在冰层中运动的时候，因为速度极快，会产生某种特别的被称为切伦科夫的锥形辐射，从而被探测器探测到。通过记录探测器探测到的时间顺序，就可以确认中微子传播的方向，这次就是利用这一方法推断出产生源的方向的。

来自耀变体TX0506+05的中微子和伽马射线都可以被IceCube中微子天文台以及地球和太空中的其他望远镜探测到。（图片来源：IceCube/NASA）

这次发布会中宣布的中微子的能量非常高，将近290TeV，而我们知道，目前地球上最强大的对撞机也仅仅只能产生7TeV能量的粒子，与自然界粒子的能量相比，差别真是太大太大了。不禁让人感叹，宇宙天体简直是一个无比巨大的粒子加速器！也令人深感，对于整个宇宙来说，人类是多么渺小。

打开天文学研究的新大门

自从人类首次发现宇宙射线，一百多年过去了，终于第一次确认了宇宙射线产生的源头，开启了揭开宇宙射线产生之谜的第一步。

地球和太空中大约有20个观测站对去年九月的这场高能中微子事件进行了联合探测。（图片来源Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube）

不过这也是科学家利用多信使方式进行联合观测的结果。比如地面上的切伦科夫望远镜MAGIC，空间中的费米空间望远镜。正是这几种不同设备的协助使用，才最终确认了源头。

大家也许还记得，去年8月份，引力波探测器LIGO/VIRGO首次探测到了中子星合并的事件，多信使研究方式已经展现了其极大的优势。在引力波探测之后不久，费米空间望远镜也探测到了高能伽马光子，之后全世界70多个望远镜进行了追踪观测， 因此开启了引力波多信使天文学时代，不过更为重要的是，解决了之前天体物理中的一些难解之谜。

这一次，轮到中微子登场。中微子联合其他设备，帮助我们找到了宇宙射线的一个产生源头。可以看到，多信使的天文学研究方式对于我们解开诸多宇宙谜团具有非常强大的威力和优势。同时，也期待着中微子天文台、引力波天文台和其他天文台的共同协作，帮助我们开启宇宙之眼，发现更多更有趣的宇宙天体，解决更多的宇宙谜题。

出品：科普中国

作者：黑洞来客团队

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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