多信使天文学的又一次胜利——

“精灵”粒子极可能源于遥远耀变体

2018年07月17日08:58  来源:科技日报
 

位于南极地下1.5千米的冰立方中微子天文台。图片来源:《科学》杂志官网

去年9月,来自太空的一个亚原子粒子宛若“落入凡间的精灵”,横穿南极洲,犹如在平静湖面上投下一颗石子,激起阵阵涟漪,科学家争相寻找其源头。今年7月12日,数十个科研团队发表文章,认为这个亚原子粒子可能源自一个遥远的耀变体(Blazar)。

研究人员称,新发现是方兴未艾的多信使天文学的又一次胜利,不仅有助于科学家解开宇宙中最大的谜团之一——神秘的宇宙射线“乡关何处”,也将改变人类对宇宙的看法。

“落入凡间的精灵”拉响警报

故事要从去年9月说起。

2017年9月22日,位于南极洲极点处的冰立方(IceCube)中微子天文台探测到一个能量为290TeV的中微子。相比之下,目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机只能把粒子加速到7TeV。

隶属于美国国家科学基金会(NSF)的冰立方于2010年竣工,由分布在1立方千米范围内的86串光传感器构成,每串60个,位于冰层下1.5千米深处。当中微子撞击冷冻水分子的核时,会产生带电粒子,粒子减速时会发出切伦科夫光,被冰立方捕捉到。如果产生的是缪子,它的径迹又直又长,适合于根据光的位置、时间和亮度,准确重建出中微子的方向和能量。

据中国科学院高能研究所研究员曹俊介绍,冰立方的主要科学目标是借助中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此,2016年,冰立方团队建立了一个预警网络,希望集结不同波段望远镜之力,共同追捕中微子。观测到上述那个孤单的“精灵”后43秒,冰立方从南极通过卫星链路向天文学家网络发送了一个警报,并将该中微子标记为IceCube-170922A。

几个天文台最初没有看到任何异常。6天后,美国国家航空航天局(NASA)费米伽玛射线太空望远镜(不断扫视天空,包括监视约2000个耀变体)团队报告说,他们发现名为“TXS 0506+056”的耀变体特别明亮,其距离冰立方团队建议的中微子方向仅0.1°,几个月前就已开始发出耀斑。很快,十几台望远镜“集中火力”研究了这个耀变体。

英国《自然》杂志官网12日报道称,来自世界各地的多个团队在当日发表的至少7篇论文中描述了这一研究,这是科学家首次将一个遥远的星系视作高能中微子的来源。

意大利帕多瓦天文台西蒙娜·派亚诺团队借助世界上最大的光学望远镜——10.4米口径的加那利大型望远镜,发现该耀变体距地球约37.8亿光年。

有助揭示高能宇宙射线起源

曹俊解释,耀变体是活动星系核的一种,是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生的剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能,或者黑洞的转动能量,转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向观察者视线,就会显得特别明亮,称为耀变体。

《科学》杂志12日报道称,产生中微子的耀变体还可以帮助解决天文学中一个百年未解之谜:时不时拜访地球的极高能量的质子和原子核——宇宙射线从何而来?这些宇宙射线是自然界中能量最高的粒子,比地球上粒子加速器产生的能量高出100万倍,但其来源一直是个谜,因为宇宙射线所带的电荷会使它们的行进路径发生弯曲。

目前科学家列出的“幕后推手”名单包括中子星、伽马射线爆发、超新星和某些星系中心的黑洞等,但无论其起源何处,高能中微子都很可能作为副产物出现。中微子呈电中性,几乎没有质量,移动速度接近光速,且很少与其他物质相互作用,以直线行进。这意味着,可以通过中微子的路径,追溯出创造它们的源头事件。长期以来,天文学家一直很期待通过中微子揭示神秘的宇宙射线源头,“中微子给我们指出了一条穿越迷雾的路”。

如果冰立方团队是正确的,那么,这个耀变体可能是这些宇宙射线的首个“验明正身”的来源。

结果还需更坚实的证据

然而研究人员指出,这一高能中微子与耀变体之间的关联并非“稳若磐石”。曹俊称,这次观测到中微子和耀变体的相关性达到了99.9%,约为3.5倍标准偏差,离科学发现所需的5倍标准偏差的严格标准(即出错的可能只有350万分之一)还差一点。

美国纽约大学粒子物理和数据分析专家凯尔·克兰麦表示,上述数据共同确定了可能的来源,但“观察并非确定无疑,需要更多后续行动予以证实”。

美国盐湖城犹他大学的皮埃尔·斯科尔斯基说:“新观测令人兴奋,我非常希望它能得到证实,如果最终获得证实,那将是革命性的。”

《科学》杂志称,研究团队希望能将冰立方的体积增大10倍,光电探测器数量增加一倍,使其可探测到更多中微子并提高指向精确度。

曹俊也满怀希望地表示:“即便现在的结果不足以让人信服,未来也肯定能毫无争议地确定答案。”

多信使天文学的胜利

最新研究也是方兴未艾的多信使(multi-messenger)天文学的又一次胜利。多信使天文学结合来自不同类型天文台的信号,以确定天体事件的细节。

美国太空网12日报道称,多信使天文学始于2017年10月,那时,研究人员宣布,他们观测到了引力波和一对正在合并的中子星发出的光;而在本次研究中,中微子望远镜和其他仪器在无线电、光学、伽玛等多个波段,对该耀变体进行了研究。

将来自不同信使(引力波、中微子等)的信息结合在一起,将有助于科学家进一步揭开宇宙的谜团。NSF负责人弗朗斯·科尔多瓦说:“多信使天文学的时代已到来。每个信使,从电磁波到引力波,现在是中微子,都有助于我们更好地理解宇宙以及其最高能的天体和事件。”(刘霞)

(责编:赵清(实习生)、熊旭)

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