重大發現！黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子

今天出版的Science雜志刊登封面文章，“冰立方”中微子天文臺找到耀變體發射超高能中微子的證據。

　　冰立方（（IceCube）是美國設在南極洲極點處的中微子天文臺。它由分布在1立方公里內的86串光傳感器（光電倍增管）構成，每串60個，位于冰層下1450米到2450米。當高能中微子被冰俘獲，產生帶電粒子，穿過傳感器陣列，將產生切倫科夫光，從而被探測到。

（IceCube）

　　2017年9月22日，冰立方探測到一個能量為290 TeV的中微子。作為對比，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7 TeV。

　　冰立方的主要科學目標是通過中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此，它建立了一個預警網絡，對每個超高能中微子，實時重建出其方向，發布給其它望遠鏡，以便通過射電、光學、伽瑪等波段觀測對應的天體活動。觀測到這個中微子后43秒，自動預警信息發出。4小時后伽瑪射線協作網發出通知。

290 TeV的中微子（Science 361，146（2018））

　　剛開始，幾個天文臺并沒有看到任何反常信號。6天后，費米衛星首先報告，在冰立方給的方向僅相差0.1度的地方，有個一個月前就開始閃耀的耀變體，開始變得特別明亮。很快，十幾臺射電、光學、伽瑪望遠望也觀察到了顯著信號，比如大西洋上的MAGIC大氣切倫科夫望遠鏡。

　　高能宇宙線起源之謎

　　耀變體（Blazar）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，就構成耀變體。

　　高能宇宙線的起源是百年之謎，我們既不知道它們從哪兒來，也不知道其加速機制。人們猜測它的來源可能包括中子星、伽瑪射線暴、極端超新星、活動星系核等。

　　在耀變體噴流中，帶電粒子可以加速到極高能量。由于帶電粒子受宇宙中磁場的偏轉，當它們到達地球時，我們并不知道它們來自何處。也許它們已在銀河系中旋轉了幾十圈，才飄飄蕩蕩地抵達地球。被噴流加速的質子或者核，與物質相互作用時能產生高能介子，最終衰變成光子和中微子，而中微子是不受磁場干擾的，能夠直指源頭。看到290 TeV的中微子，意味著耀變體噴流可以產生至少幾萬TeV的質子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。

耀變體（Courtesy： A Marscher， PhysicsWorld）

　　謎底解開了嗎？

　　實際上2016年冰立方就報道了活動星系核與高能中微子的關聯，相關性為95%，從嚴格的科學標準來看并不夠高，因此存在爭議。

　　在發現這個中微子后，冰立方重新檢查了以前的數據，在這個方向上又找到一些中微子，使相關性達到了99.9%，約為3.5倍標準偏差。不過離科學發現的5倍標準偏差標準還差一點。

　　冰立方計劃近期開始升級，將體積增大10倍。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。

　　有意思的是，冰立方也可以在其中心一小塊區域加大光傳感器的密度，更準確地探測大氣中微子，從而確定中微子的質量順序（這個實驗稱為PINGU），而這是建設中的江門中微子實驗的主要科學目標之一。假如PINGU實驗得到高優先權的話，將是江門實驗最有力的競爭對手。不過項目團隊經過曠日持久的討論，將優先權放在了擴大冰立方陣列上。畢竟，質量順序有多個實驗可以做，而冰立方只有一個。

　　歪打正著的理論家

　　冰立方與引力波天文臺LIGO是美國科學基金委支持的兩大項目。跟LIGO幾個不著調的倡議者一樣，冰立方天文臺的創建者弗朗西斯·赫爾任（Francis Halzen）也是理論家。他曾說，假如他有點實驗經驗的話，就不會提出做冰立方實驗，因為他不知道一般冰中會有大量氣泡，光子散射非常嚴重，導致無法重建出中微子的方向。可是實驗建成后，出人意料地發現南極地底的冰跟別處不一樣，上萬年的壓力將冰壓得非常密實，光散射問題比預想要好得多。

　　赫爾任顯然是未來諾貝爾獎的有力候選者，希望他能長壽。