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探索宇宙粒子加速器的突破,科学家首次找到了高能宇宙中微子的来源

利用国际组织的天文网,科学家首次发现了高能宇宙中微子源,这是一种幽灵般的基本粒子,在宇宙中穿行数十亿光年,不受恒星、行星和整个星系的影响。2017年9月22日,在南极的冰立方中微子望远镜记录下的一个中微子触发了联合观测运动。地球上和太空中的望远镜能够确定,这个奇异的粒子起源于30亿光年以外的猎户座星系,在那里,一个巨大的黑洞充当自然粒子加速器。来自18个不同天文台的科学家在《科学》杂志上发表了他们的发现。此外,发表在《科学》杂志上的第二项分析表明,先前由冰立方记录的其他中微子来自同一来源。

德国的研究人员在这次观测活动中发挥了关键作用,这是解决一个困扰了科学家们100多年的谜题的决定性一步,这个谜题就是所谓的宇宙射线的确切起源,即不断轰击地球大气层的高能亚原子粒子。这是中微子天文学萌芽领域的一个里程碑。我们正在打开一扇通向高能宇宙的新窗口。“使用遍布全球的仪器进行的协同观测运动也是多信使天文学领域的一项重大成就,那就是利用不同的信使,如电磁辐射、引力波和中微子,对宇宙物体进行研究。”

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来自高能宇宙的信使

科学家期望高能中微子产生的一种方式是宇宙射线的一种副产品,宇宙粒子加速器可以产生这种物质,比如超大质量黑洞或爆炸恒星产生的物质漩涡。然而,与宇宙射线的带电粒子不同,中微子是电中性的,因此当它们穿越空间时,它们不会因宇宙磁场而偏转,这意味着它们的方向会直接指向它们的实际来源。此外,中微子几乎没有被吸收。德国冰立方网络的发言人,来自伍珀塔尔大学的Klaus Helbing说:“观察宇宙中微子可以让我们一瞥那些对电磁辐射不透明的过程。”宇宙中微子是高能宇宙的信使。

然而,证明中微子的存在是极其复杂的,因为大多数幽灵般的粒子穿过整个地球,没有留下任何痕迹。只有在非常罕见的情况下,中微子才会与周围环境发生相互作用。因此,它需要巨大的探测器才能捕捉到这些罕见的反应。美国威斯康辛大学麦迪逊分校(University of Wisconsin in Madison)领导的一个国际科学家联盟为冰立方探测器在南极冰层上钻了86个洞,每个洞有2500米深。在这些洞中,他们降低了5160个光传感器,分散在一立方千米的空间里。这些传感器记录下了透明冰中罕见的中微子相互作用过程中产生的微小的闪光。

五年前,冰立方首次提供了来自外层空间深处高能中微子的证据。然而,这些中微子似乎来自天空的任意方向。“直到今天,我们还不知道它们的起源,”慕尼黑工业大学的Elisa Resconi说。“通过9月22日记录的中微子,我们现在已经找到了第一个来源。”

从无线电波到伽马射线

所讨论的中微子的能量约为300太电子伏特,是世界上最大的粒子加速器——位于日内瓦郊外的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(lhc)所产生质子的40多倍。在记录到中微子后的几分钟内,冰立方探测器自动通知了许多其他天文观测站。大量的这些粒子扫描了高能中微子产生的区域,扫描了整个电磁频谱:从高能伽马射线到可见光的x射线,再到无线电波。果然,他们第一次能够将一个天体定位到高能宇宙中微子到达的方向。

“在我们的例子中,我们看到了一个活跃的星系,它是一个巨大的星系,中心有一个巨大的黑洞,”科沃斯基解释道。巨大的“喷射”射向太空,与向黑洞吸入物质的巨大漩涡成直角。长期以来,天体物理学家一直怀疑这些喷流产生了相当大比例的宇宙粒子辐射。“现在我们找到了支持这种假设的关键证据,”Resconi强调说。

现在已经确定的活跃星系是一个所谓的“耀星”,一个活跃的星系,它的射流精确地指向我们的方向。利用DESY研究人员开发的软件,由美国宇航局(NASA)运营的伽玛射线卫星费米号(Fermi)在9月22日左右的时候,已经记录到这颗名为TXS 0506+056的伽玛射线卫星的活动急剧增加。现在,一个地球上的伽马射线望远镜也记录了它发出的信号。“在中微子的后续观测中,我们也能在高能量伽马射线的范围内观测到,使用了在加那利岛拉帕尔马的神奇望远镜系统,”DESY的Elisa Bernardini说,他协调了神奇的观测。“伽玛射线在能量上最接近中微子,因此在确定中微子产生的机理方面起着至关重要的作用。”贝尔纳迪尼小组开发了利用伽玛射线望远镜对中微子进行有效后续观测的程序。

NASA的x射线卫星Swift和NuSTAR也记录了布拉沙的爆发,以及伽玛射线望远镜h.e.s.意大利航天局(ASI)的伽马射线和x射线卫星AGILE,以及欧洲航天局(ESA)的Integral,都参与了后续观测。总之,7个光学天文台(ASAS-SN, Liverpool, Kanata, Kiso Schmidt, SALT和Subaru望远镜,以及欧洲南部天文台的超大望远镜VLT)观测到了活跃的星系,Karl G. Jansky超大阵列(VLA)研究了它在无线电频谱中的活动。这就产生了一幅全面的火焰辐射图,从无线电波到能量高达1000亿倍的伽马射线。

在档案中搜索可以发现更多的中微子。

来自所有参与研究的团体的一个全球科学家团队进行了彻底的研究,进行了一项复杂的统计分析,以确定中微子和伽玛射线观测之间的相关性是否只是一个巧合。DESY的Anna Franckowiak负责对各种不同的数据集进行统计分析,她解释说:“我们计算出这只是巧合的概率大约是千分之一。”这听起来可能不是很大,但也不足以平息物理学家的专业怀疑。

第二道调查纠正了这一点。冰立方的研究人员搜索了他们过去几年的数据,寻找以前可能测量到的中微子来自现在已经确定的火焰方向。在2014年9月至2015年3月期间,他们确实发现了十多个来自TXS 0506+056方向的幽灵粒子的明显剩余,正如他们在同一版《科学》上发表的第二篇论文中所报道的那样。这多余的可能性仅统计离群值估计在1 5000年,“让你竖起你的耳朵,”克里斯托弗·Wiebusch从亚琛工业集团已经注意到提示的多余的中微子tx 0506 + 056的方向在前面的分析。“这些数据还能让我们对来自这个源的中微子通量做出初步估计。”加上2017年9月的单一事件,冰立方数据现在提供了迄今为止最好的实验证据,证明活跃的星系实际上是高能宇宙中微子的来源。

“我们现在对我们应该寻找的东西有了更好的理解。”这意味着我们将来可以更明确地找到这些来源,”Elisa Resconi说。Marek Kowalski补充说,“由于中微子是宇宙射线中带电粒子的副产品,我们的观察表明活跃的星系也是宇宙射线粒子的加速器。1912年维克多·赫斯发现了宇宙射线,一个多世纪后,冰立方的发现首次确定了这些高能粒子的具体的银河系外来源。

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