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【文/ 觀察者網(wǎng)專欄作者 徐令予】

刊登在最新一期《科學(xué)》雜志上的二篇有關(guān)中微子探測(cè)的論文受到了國(guó)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(tái)。2017年9月22日該天文臺(tái)的計(jì)算機(jī)測(cè)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(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的最大能級(jí)還要高30倍。

“冰立方”中微子天文臺(tái)示意圖，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shí)，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(cè)到大約50,000個(gè)中微子，但其中只有大約10來個(gè)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(tái)發(fā)出的特急警報(bào)傳遍全球相關(guān)天文臺(tái)，請(qǐng)求對(duì)該事件進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)核對(duì)。

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(shí)到中微子的來源指向了一個(gè)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(cè)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(cè)的行為而著稱，耀變體的核心是一個(gè)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(gè)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(gè)警報(bào)，請(qǐng)求更多的天文臺(tái)站對(duì)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(cè)到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線，能量高達(dá)400GeV。

請(qǐng)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(duì)伽馬射線源的定位區(qū)，黃色環(huán)線是MAGIC對(duì)伽馬射線源的定位區(qū)，灰色環(huán)線是“冰立方”對(duì)中微子源的定位區(qū)。從天空到地上探測(cè)到的高能伽馬射線與南極冰下探測(cè)到的高能中微子的發(fā)源區(qū)域高度重合，同時(shí)指向TXS 0506 + 056星系。

“冰立方”中微子天文臺(tái)、費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡和MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)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(tái)的長(zhǎng)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(gè)天文臺(tái)測(cè)到了明確的信號(hào)，詳見圖片3。

對(duì)應(yīng)于高能中微子IceCube-170922A，全球有18個(gè)天文臺(tái)探測(cè)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(tái)，藍(lán)色代表探測(cè)到信號(hào)，紅色代表沒有探測(cè)到信號(hào)。

冰立方中微子天文臺(tái)位于南極極點(diǎn)，在冰川之下科學(xué)家們開鑿出了86個(gè)深達(dá)2800多米的豎井。在每個(gè)豎井中懸放了電纜，電纜上聯(lián)接了60個(gè)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(cè)的主體，這個(gè)正六方體探測(cè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池。整個(gè)項(xiàng)目化費(fèi)2億7千萬美元，主要由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。