高能宇宙射线究竟来自哪里 科学家找到答案

冰立方（IceCube）天文台是全世界首屈一指的微中子侦测站，座落在南极洲阿曼森史考特南极站（Amundsen-Scott South Pole Station）下方冰层的深处。 PHOTOGRAPH BY SVEN LIDSTROM, ICECUBE, NSF VIA THE NEW YORK TIMES

（神秘的地球uux.cn报道）据美国国家地理（撰文：NADIA DRAKE 编译：林宇威）：高能宇宙射线究竟来自哪里，科学家找到了答案！这趟长远追寻的解答，将开启研究宇宙的全新方式。

科学家在南极冰层下方1.6公里深的地方，侦测到了一道闪光，这项发现和一种幽灵般的次原子粒子──「微中子」有关，不但可能解决百年来的宇宙之谜，甚至将开启天文学的新页。

1900年代初期，物理学家维克多．赫斯（Victor Hess）发现地球不断被来自外太空的高能粒子轰击，我们现在将这种粒子称为「宇宙射线」。从那以后，科学家就一直在寻觅──是什么样的天体能像超强大的粒子加速器一样，将这些极高能量的粒子喷发到宇宙之中。

不过，大多数的宇宙射线都带有电荷，而分散遍布整个太空的磁场会让宇宙射线行进的路径弯曲，因此科学家很难追随宇宙射线的踪迹，找到来源。这也就是为什么目前科学家专注于搜寻微中子，这种粒子不带电荷，也几乎没有质量，因此它们的路径能成为我们追寻源头的可靠指标。

位于南极洲的冰立方微中子天文台（IceCube Neutrino Observatory）是这项任务的领头羊，和其他一些天文台一起侦测到一小部分宇宙中的高能微中子，研究结果显示这些微中子来自非常遥远的星系。这项发现让天文学的新时代更添利器──想要研究解开宇宙奥秘不只可以靠光子，更可以靠粒子。

冰立方天文台首席科学家──威斯康辛大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）的弗朗西斯．郝尔琛（Francis Halzen）表示：「我们终于逮到了宇宙的粒子加速器了，毫无疑问，这让人太兴奋了！」他们在7月12日出版的《科学》（Science）和《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）期刊发表了三篇论文，公布这项研究结果。

一起弹跳吧！

在这之前，科学家就发现了来自太阳和邻近超新星残骸的微中子，但两者都没有足够的威力将最高能的宇宙粒子抛射到地球上。

由于微中子和其他类型的物质发生的交互作用非常微弱，因此光是要侦测到微中子就是件不简单的任务。现在就有数以兆计的太阳微中子正在经过你的身体。阿曼森史考特南极站下方的冰立方天文台有一立方公里的冰块，利用5160个光侦测器来探测宇宙微中子高速穿越地球时，与冰块中的原子核交互作用所产生的微弱闪光。

自从2013年以来，有几个极高能的微中子（科学家异想天开地以芝麻街人物为这些微中子命名）穿过极区冰层，被冰立方天文台的侦测器记录下来。但这些微中子令人沮丧的难以确认是来自单一天体，让科学家只能得到一些可能来源天体的线索。

真是美好的一天

一直到2017年9月22日，一个以接近光速前进的微中子呼啸穿过地球，撞击了冰立方天文台的侦测器。它所拥有的能量非常惊人，高达290 TeV──这比在大型强子对撞机（Large Hadron Collider）内运行的最高能量质子射柱强近50倍。此次撞击触发了通报系统，通知研究微中子的天文学家尽速展开追捕。

科学家追溯这条微中子的路径，目标指向了猎户座附近的一小块天区。好几个望远镜也几乎同时在此处观测到巨大的宇宙闪焰。

藏身在北方天空的一小块天区中，一个遥远、巨大，被称为「蝎虎BL型类星体」（blazar）的天体。被自己震醒，并且将高能粒子投射到太空中，其中还包括费米伽玛射线太空望远镜（Fermi Gamma-Ray Space Telescope）所侦测到的一群高能伽玛射线。

获得天文物理学博士学位的非裔美国女性，她在舞台上畅谈她对黑洞的热爱，以及她支持有色人种女性科学家的热情。

这些伽玛射线来自一个名为TXS 0506+056的巨大椭圆星系，在这个星系的核心有个翻腾不已的超大质量黑洞。黑洞不断吞食附近的气体和尘埃，因此不断向外喷射出极高能粒子，很刚好地朝地球的方向喷来。

「蝎虎BL型类星体是宇宙中最强大的天体。」普林斯顿大学（Princeton University）的玛利亚．佩卓布罗（Maria Petropoulou）说。在伽玛射线波段的天空，TXS 0506+056是最明亮的蝎虎BL型类星体之一。这是非常了不起的，因为它距离我们大约有40亿光年远，这也表示TXS 0506+056是产生这些高能宇宙射线的一个重要候选者。

「这很合理──它不可能是个很微弱的蝎虎BL型类星体，」欧洲南方天文台（European Southern Observatory）的保罗．帕多瓦尼（Paolo Padovani）这么说，「如果想要找到微中子，那它们一定是来自威力十足的野兽，否则你根本就不会看到微中子。」

在冰立方和费米同时侦测到讯号后的数天到数星期内，许多团队开始研究这个明亮的蝎虎BL型类星体。超过十几个团队以无线电波、可见光、X射线和伽玛射线……几乎是涵盖了所有波段的仪器，一起盯着这个天体进行观测。根据他们的研究结果看来，伽玛射线闪焰的确是来自于TXS 0506+056，同时也产生了冰立方在九月侦测到的微中子。

「如果费米太空望远镜没有及时观测到伽玛射线，那对我们来说只会是又一个微中子。对他们来说，也只是另一个来自蝎虎BL型类星体的闪焰。」郝尔琛表示。
但是，这些团队做的可不只这些。

回头检查

科学家马上回头检查费米伽玛射线太空望远镜之前对TXS 0506+056的观测结果，他们发现这个天体在2014年底，就曾发生超过五个月的闪焰爆发现象。冰立方团队也查看近十年来所观测的微中子数据，发现在那几个月里，有十几个高能微中子与南极冰层发生撞击。

郝尔琛说：「我们做梦也没想过会得到这么棒的资料──在150天的日子里看到了19个微中子，这实在让人难以置信！」

目前有两个独立的证据显示，TXS 0506+056正往地球抛出微中子，这表示科学家很可能发现了这些神秘粒子的其中一项来源。

还有别的可能性

劳伦斯柏克莱国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的凯萨琳．祖瑞克（Kathryn Zurek）表示，这个发现「让人印象非常深刻，让我们往确定宇宙射线起源的目标又迈进了一步，这可是天文物理学上非常重要的难题。」

但是她和其他人也注意到了，事情还没尘埃落定。

「在我看来，这些观测结果强烈显示之间有关联性，但还无法下定论，」佩卓布罗说。 「还有其他的可能性，像是位在同一天区的其他天体也可能造成冰立方所探测到的微中子。无论如何，这些结果都让我们离揭开宇宙微中子的来源之谜更近一步。」

科学家也同意，我们所看到的宇宙射线不太可能全都来自蝎虎BL型类星体，所以他们仍在寻找这些高能粒子的其他来源。

「冰立方天文台所侦测到的微中子有可能来自很多种天体，」佩卓布罗说，「像是正在形成恒星的星系、相互作用的超新星、低光度伽玛射线爆发、星团中心的电波星系，和其他各种可能性」。