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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)中微子探測的論文受到了國際媒體的熱情關(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，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。2017年9月22日該天文臺的計算機(jī)測試到了能量高達(dá)300Tev的中微子，它比人類最強(qiáng)大的日內(nèi)瓦大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生的最大能級還要高30倍。

“冰立方”中微子天文臺示意圖，實驗觀測主設(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，冰立方實驗的領(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。 冰立方每年檢測到大約50,000個中微子，但其中只有大約10來個處于非常高的能量，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發(fā)出的特急警報傳遍全球相關(guān)天文臺，請求對該事件進(jìn)行協(xié)同觀測核對。

接到冰立方警報幾天之后，在Kanata工作的日本天文學(xué)家田中教授從數(shù)據(jù)分析中意識到中微子的來源指向了一個稱之為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)測的行為而著稱，耀變體的核心是一個超大質(zhì)量的黑洞。

田中教授與費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡項目有合作，該望遠(yuǎn)鏡每天掃描拍攝整個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)出了第二個警報，請求更多的天文臺站對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。得到警報后的幾天里，MAGIC地區(qū)一直霪雨霏霏。等到云散霧開，MAGIC探測到了來自TXS 0506 + 056的伽馬射線，能量高達(dá)400GeV。

請看圖片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，蘭色小園是費米太空望遠(yuǎn)鏡對伽馬射線源的定位區(qū)，黃色環(huán)線是MAGIC對伽馬射線源的定位區(qū)，灰色環(huán)線是“冰立方”對中微子源的定位區(qū)。從天空到地上探測到的高能伽馬射線與南極冰下探測到的高能中微子的發(fā)源區(qū)域高度重合，同時指向TXS 0506 + 056星系。

“冰立方”中微子天文臺、費米太空望遠(yuǎn)鏡和MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的觀測數(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)天文臺的長槍短炮全都瞄準(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個天文臺測到了明確的信號，詳見圖片3。

對應(yīng)于高能中微子IceCube-170922A，全球有18個天文臺探測到了來自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，藍(lán)色代表探測到信號，紅色代表沒有探測到信號。

冰立方中微子天文臺位于南極極點，在冰川之下科學(xué)家們開鑿出了86個深達(dá)2800多米的豎井。在每個豎井中懸放了電纜，電纜上聯(lián)接了60個球型的數(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的主體，這個正六方體探測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標(biāo)準(zhǔn)游泳池。整個項目化費2億7千萬美元，主要由美國國家科學(xué)基金會資助。