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多信使天文學的又一次勝利!“落入凡間的精靈”粒子源于遙遠的耀變體
2018年08月22日 10:18:00 手機看新聞  
 

  去年9月,來自太空的一顆亞原子粒子宛若“落入凡間的精靈”,橫穿南極洲,猶如平靜湖面上投下的一顆石子,激起陣陣漣漪,科學家爭相尋找其源頭。今年7月12日,數十個科研團隊發表文章,認為這個亞原子粒子可能源自一個遙遠的耀變體(Blazar)。

  研究人員稱,新發現是方興未艾的多信使天文學的又一次勝利,不僅有助于科學家進一步揭示宇宙中最大的謎團之一——神秘的宇宙射線“鄉關何處”,也將改變人類對宇宙的看法。

  “落入凡間的精靈”拉響警報

  故事要從去年9月說起。

  2017年9月22日,位于南極洲極點處的冰立方(IceCube)中微子天文臺探測到一個能量為290TeV的中微子。相比之下,目前能量最高的加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機只能把粒子加速到7TeV。

  隸屬于美國國家科學基金會(NSF)的冰立方于2010年竣工,由分布在1立方千米范圍內的86串光傳感器構成,每串60個,位于冰層下1.5千米深處。當中微子撞擊冷凍水分子的核時,會產生帶電粒子,粒子減速時會發出切倫科夫光,被冰立方捕捉到。如果產生的是繆子,它的徑跡又直又長,適合于根據光的位置、時間和亮度,準確重建出中微子的方向和能量。

  據中國科學院高能研究所研究員曹俊介紹,冰立方的主要科學目標是借助中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此,2016年,冰立方團隊建立了一個預警網絡,希望集結不同波段望遠鏡之力,共同追捕“幽靈粒子”中微子。觀測到上述那個孤單的“精靈”后43秒,冰立方從南極通過衛星鏈路向天文學家網絡發送了一個警報,并將該中微子標記為IceCube-170922A。

  幾個天文臺最初沒有看到任何異常。6天后,美國國家航空航天局(NASA)費米伽瑪射線太空望遠鏡(不斷掃視天空,包括監視約2000個耀變體)團隊報告說,他們發現名為“TXS 0506 + 056”的耀變體特別明亮,其距離冰立方團隊建議的中微子方向僅0.1度,幾個月前就已開始發出耀斑。很快,十幾臺望遠鏡集中火力研究了這個耀變體。

  英國《自然》雜志官網12日報道稱,來自世界各地的多個研究小組在當日發表的至少7篇論文描述了這一研究,這是科學家首次將一個遙遠的星系視作高能中微子的來源。

  意大利帕多瓦天文臺西蒙娜·派亞諾團隊借助世界上最大的光學望遠鏡——10.4米口徑的加那利大型望遠鏡,發現該耀變體距地球約37.8億光年。

  有助揭示高能宇宙射線起源之謎

  曹俊解釋稱,耀變體是活動星系核的一種,是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質而產生劇烈天文現象。黑洞將吸積物質的引力能,或者黑洞的轉動能量,轉化為強大的相對論噴流。如果噴流指向我們的視線,就會顯得特別明亮,稱為耀變體。

  《科學》雜志12日的報道稱,產生中微子的耀變體還可以幫助解決天文學中一個持續百年的謎團:時不時拜訪地球的極高能量的質子和原子核——被統稱為宇宙射線從何而來?這些宇宙射線是自然界中能量最高的粒子,其能量比地球上的粒子加速器產生的能量高出100萬倍,但其來源一直是個未解之謎,因為宇宙射線所帶的電荷會使它們的行進路徑發生彎曲。

  目前科學家列出的“幕后推手”名單包括中子星、伽馬射線爆發、超新星和某些星系中心的黑洞等,但無論其起源何處,高能中微子都很可能作為副產物出現。中微子呈電中性,幾乎沒有質量,移動速度接近光速,且很少與其他物質相互作用,以直線行進。這意味著,可以通過中微子的路徑,追溯出創造它們的源頭事件。長期以來,天文學家一直很期待使用中微子揭示神秘的宇宙射線源頭,“中微子給了我們一條穿越迷霧的路”。

  如果冰立方團隊是正確的,那么,這個耀變體可能是這些宇宙射線的首個“驗明正身”的來源。

  結果還需更堅實的證據

  然而,研究人員指出,這一高能中微子與耀變體之間的關聯并非穩若磐石。曹俊稱,這次觀測到中微子和耀變體的相關性達到了99.9%,約為3.5倍標準偏差,離科學發現所需的5倍標準偏差的嚴格標準(即出錯的可能只有350萬分之一)還差一點。

  美國紐約大學粒子物理和數據分析專家凱爾·克蘭麥表示,上述數據共同確定了可能的來源,但“觀察并非確定無疑,需要更多后續行動予以證實”。

  美國鹽湖城猶他大學的皮埃爾·斯科爾斯基對《科學》雜志說:“新觀測令人興奮,我非常希望它能得到證實,如果最終獲得證實,那將是革命性的。”

  《科學》雜志稱,研究團隊希望能將冰立方的體積增大10倍,光電探測器數量增加一倍,使其可探測到更多中微子并提高指向精確度。

  曹俊也滿懷希望地表示:“即便現在的結果不足以讓人信服,未來也肯定能毫無爭議地確定答案。”

  多信使天文學的勝利

  最新研究也是方興未艾的多信使(multi-messenger)天文學的又一次勝利。多信使天文學結合來自不同類型天文臺的信號,來確定天體事件的細節。

  美國太空網12日報道稱,多信使天文學始于2017年10月,那時,研究人員宣布,他們觀測到了引力波和一對正在合并的中子星發出的光;而在本次研究中,中微子望遠鏡和其他儀器在射電、光學、伽瑪等多個波段,對該耀變體進行了研究。

  將來自不同信使(引力波、中微子等)的信息結合在一起,將有助于科學家進一步揭開宇宙的謎團。NSF負責人弗朗斯·科爾多瓦說:“多信使天文學的時代已到來。每個信使,從電磁波到引力波,現在是中微子,都有助于我們更好地理解宇宙以及其最高能的天體和事件。”

來源:  編輯:李云云
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