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埋在南極冰原下,占地一平方公里,科學家終于探測到「神秘信號」
2022/03/13
2022/03/13

來自地底深處的神秘信號

地球南極,這是世界上最寒冷的地區,這裡人煙罕至,動物稀少,到處都是冰川積雪。嚴寒帶來的影響使得這兒幾乎沒有人類居住,不過作為科考地點來說,再合適不過了。沒有其他人的干擾,這裡是 地球上最後的一片淨土

位于南極冰原之下,一場實驗正在悄然進行。隨著 神秘信號的探測破譯,這場實驗宣佈結束。而這次的結果令科學家們激動不已,該神秘信號是人類首次直接探測到 高能天體物理的中微子

從衛星圖的佈局來看, 這個實驗場所占地面積為一平方公里,但是這個實驗台和以往的還有所不同,它還 需要去立體地觀察才有原本的樣貌

冰立方中微子天文臺簡稱 「冰立方」,是中微子天文臺建造在南極洲阿蒙森-斯科特南極站,整個項目是 歐洲最大的粒子物理實驗室。它的前身則是 南極繆子和中微子探測器陣列AMANDA(艾曼達)

冰立方中微子天文臺

艾曼達由光學模組組成,每個模組包含一個 光電倍增管,沉入南極冰蓋深度 1500米~1900米。由光學模組組成的陣列安裝在單獨的字串上,這些字串則分佈在一個直徑200米的圓中。 通過將熱水軟管在冰層中鑽孔,將帶有光學模組的電纜沉入其中,再讓冰凍結,從而達到固定效果

艾曼達能夠探測到能量非常高的中微子,大約在500億電子伏特(50+GeV),這些中微子 從北半球穿過地球,然後在它們穿過南極冰層時會發生反應

阿蒙森—斯科特站

相互作用下的氧或氫原子核通過與周圍水冰中包含的繆子和強子簇射。艾曼達的光學模組則是用來 檢測這些粒子背後形成的契倫科夫輻射,通過分析光子的撞擊時間,以此可以 大致判定原始中微子的方向

初次所見

2005年,艾曼達正式成為後續項目,也就是冰立方項目的天文臺。 艾曼達在後續的更新中進行了反覆運算處理,有了更多的光學模組,冰立方在2010年12月18日竣工。

光電倍增管

冰立方與前身艾曼達類似,冰立方是 由數位光學模組的球形光學感測器組成,每個感測器也都帶有一個光電倍增管和一個單板資料獲取電腦,這些電腦會將收集到的資料發送到陣列上方表面的計數室。

2013年11月,冰立方宣佈探測到的 28個信號源可能來自于太陽系,在此之前,科學家一直認為這些中微子信號來自地球內部,或者是太陽信號傳遞在地上,由于地球磁場影響所產生的變化。

太陽系

隨著冰立方這些年的不斷升級,能夠探測的信號資料越來越多。2018年,冰立方中微子天文臺宣佈它們追蹤到往期的神秘信號。而這個神秘信號正是 超高能中微子,它的起源則在TXS 0506 +056(簡稱德克薩斯)。

「德克薩斯」位于57億光年外的獵戶座,這是 科學家首次使用中微子探測器定位空間中的物體,這一發現使得宇宙射線可以被識別出來

獵戶座

「德克薩斯」是一個非常高能的耀變體,其類型為BL Lac天體,它的顯著特徵是 快速和大幅度的通量變化,以及顯著的光振偏。同時「德克薩斯」是 第一個已知高能天體物理中微子,此前被觀測到的唯一天文來源是太陽和超新星1987A。

「德克薩斯」被正式命名前,其信號發現是在2017年9月22日。冰立方天文臺探測到了一個 高能繆子介子中微子,並將其命名為IceCube-170922A。

超新星1987A概念圖

當前 大型強子對撞機最多可以產生13兆電子伏特的能量,但這個信號的能量高達290兆電子伏特。整個探測過程結束後的一分鐘,冰立方向全球天文學家發送了自動警報,同時附上座標以尋找可能的來源。

經過對相關寬域的天空區域進行搜索後,科學家 只發現了一個可能的來源,這便是「德克薩斯」,該名字也是來源于其常用的電信號頻道。

不過它並不是第一次出現在科學家們的眼前, 很早之前這個耀變體就被發現過了,並且當時處于高伽馬射線發射的狀態。科學家們記錄下來了這個耀變體的電磁光譜,包括 無線電信號、紅外線、X射線、伽馬射線等。

冰立方封存的中微子存檔資料中搜索發現,2014年至2015年早期低能中微子耀斑的預發現形式, 這個發現支持了將耀變體確定為中微子的來源

隨後在幾年的觀測中,冰立方的對其中微子在低伽馬射線通量中的發現,表明 「德克薩斯」可能是一個非典型耀變體。2020年,另一個使用MASTER全球望遠鏡網路的專案裡發現,當初在冰立方發出警報後的一分鐘,「德克薩斯」的光譜處在關閉狀態,2小時之後重新開啟,這也證實了 該耀變體處于中微子效率狀態

宇宙射線

超越觀察的觀察

為什麼說中微子的發現讓不少天文學家為之興奮?原因在于要觀察到這種運動實在是太難了,這可以說是 人類科學技術的另一個天花板了。

關于中微子的研究早就不是什麼新鮮事,也不是什麼神秘事件,早在上世紀60年代就開始了相關研究,只不過 這次信號的最初發現確實讓人迷惑

中微子

作為天文學中的一個分支, 中微子是某些放射性衰變、核反應或高能天體物理現象,例如核反應爐或宇宙射線撞擊大氣中的原子而產生。

由于中微子是電中性輕子,很少和物質相互作用。但當它們與大氣中的水分子反應時,會產生帶點輕子,例如 電子、介子、陶斯。假如這些 帶電輕子的能量足夠大,那麼它們可以發射契倫科夫輻射

不過中微子的相互作用即使發生了也會非常弱,因此探測這種信號的設備通常都會有非常大的質量,往往會有數千噸。探測器在探測過程中,還 必須具備遮罩一些背景信號的能力,不然會嚴重影響觀測效果

上世紀60年代,大衛斯和巴考爾就 探測到了第一個太陽中微子。隨後一直到70年代、80年代,美國、蘇聯、日本都有不同程度的對中微子進行觀測研究。到了2002年, 大衛斯和小柴昌俊還共同獲得了當年的諾貝爾獎

地球接收信號

進入21世紀後,蘇聯的杜曼項目衰落, 由此小組分支出去的三個分支分別對不同海域地區都建立了相關研究室。經過數年間的建設觀測,這些實驗室逐漸升級,其中的一個望遠鏡專案便是今天的冰立方。

契倫科夫輻射反應的帶電粒子與水分子的反應效果,就像是水中輪船的船頭衝擊速度快于其穿過的波浪。冰立方所攜帶的光電倍增管可以檢測到這種變化,從而 構成其內部的數位光學模組資料

埋入南極冰層下方的探測器

來自冰立方裡的單板資料獲取電腦信號被數位化之後, 通過電纜發送到冰川表面,這些信號通過地面計數室收集,並 經由衛星向北發送以進行進一步分析

由于中微子相互作用的罕見性,保持低背景信號非常關鍵。也正是出于這個原因, 大多數中微子探測器都是在地底深處的岩石下方,或者像南極的冰立方這樣,位處于水覆蓋層下去建造。

即便如此,仍然會有不少混雜信號會不可避免地進入探測器,大多數時候這種信號都是帶有一定 「雜質」的。由此可見,探測證實一次中微子信號有多難了吧。

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