徐令予：中微子探测为天文学研究开启了新的窗户
【文/ 观察者网专栏作者 徐令予】
刊登在最新一期《科学》杂志上的二篇有关中微子探测的论文受到了国际媒体的热情关注。新的发现发生在那遥远的地方，在真正的天涯海角——南极极点，在千年冻结的冰原之下，有一座称之为“冰立方”(IceCube)的中微子天文台。2017年9月22日该天文台的计算机测试到了能量高达300Tev的中微子，它比人类最强大的日内瓦大型强子对撞机产生的最大能级还要高30倍。
“冰立方”中微子天文台示意图，实验观测主设备在南极冰层的1公里以下，地面建筑是数据处理中心和办公室
当极高能量中微子到来时，冰立方实验的领导者卡尔教授(Albrecht Karle)正在威斯康星大学麦迪逊分校的办公室里为将要开始的南极之旅做准备。 冰立方每年检测到大约50,000个中微子，但其中只有大约10来个处于非常高的能量，这通常表明它们来自银河系之外的遥远星系。被称为IceCube-170922A的极高能中微子的出现让平日不苟言笑的卡尔教授兴奋不已，几分钟后冰立方天文台发出的特急警报传遍全球相关天文台，请求对该事件进行协同观测核对。
接到冰立方警报几天之后，在Kanata工作的日本天文学家田中教授从数据分析中意识到中微子的来源指向了一个称之为TXS 0506 + 056的星系，夹角仅差十分之二度。TXS 0506 + 056星系是四十年前德克萨斯州的射电望远镜首次观测到的，正确地说它属于耀变体(blazar)，这是一类极其活跃的星系，以其剧烈的辐射以及难以预测的行为而著称，耀变体的核心是一个超大质量的黑洞。
田中教授与费米伽马射线太空望远镜项目有合作，该望远镜每天扫描拍摄整个太空的伽马射线图像，十多年来积累了大量数据。田中搜索了费米太空望远镜的数据库，不查不知道，一看吓一跳，他发现TXS 0506 + 056星系自同年4月以来一直光芒闪耀。于是他立即发出了第二个警报，请求更多的天文台站对TXS 0506 + 056在伽马射线和可见光范围作更为详细的观察研究。
MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes)是世界上分辨率最高的高能伽马射线望远镜系统，它位于大西洋中加那利群岛，海拔约2200米，靠近非洲西北部，是西班牙飞地和自由港。得到警报后的几天里，MAGIC地区一直霪雨霏霏。等到云散雾开，MAGIC探测到了来自TXS 0506 + 056的伽马射线，能量高达400GeV。
请看图片2，图中右上角是图中央区的局部放大。粉红色小方块是TXS 0506 + 056星系的位置，兰色小园是费米太空望远镜对伽马射线源的定位区，黄色环线是MAGIC对伽马射线源的定位区，灰色环线是“冰立方”对中微子源的定位区。从天空到地上探测到的高能伽马射线与南极冰下探测到的高能中微子的发源区域高度重合，同时指向TXS 0506 + 056星系。
“冰立方”中微子天文台、费米太空望远镜和MAGIC伽马射线望远镜的观测数据显示高能中微子和伽马射线来源与TXS 0506 + 056星体位置高度重合。
随后全世界有关天文台的长枪短炮全都瞄准了TXS 0506 + 056星系，收集到了从伽马射线一直到可见光的各种频谱的电磁辐射。有多达18个天文台测到了明确的信号，详见图片3。
对应于高能中微子IceCube-170922A，全球有18个天文台探测到了来自TXS 0506 + 056的伽马射线和其它电磁辐射。图中三角体代表太空望远镜，小园球代表地面天文台，蓝色代表探测到信号，红色代表没有探测到信号。
冰立方中微子天文台位于南极极点，在冰川之下科学家们开凿出了86个深达2800多米的竖井。在每个竖井中悬放了电缆，电缆上联接了60个球型的数字光学传感器DOMs(Digital Optical Modules)。这些传感器从地面1500米以下依次排列直至深达2800米的竖井底部。位于地面1500米深处总共5160只传感器构成了冰立方中微子探测的主体，这个正六方体探测阵列的容积约为一立方公里，相当于北京水立方的一千倍，这中间的冰水足可灌满一百万个标准游泳池。整个项目化费2亿7千万美元，主要由美国国家科学基金会资助。
把中微子探测中心放于南极极点的地下深处可谓用心良苦。因为冰不产生自然辐射，把探测器埋到深处可以过滤掉宇宙中除了中微子之外的各种其他辐射。南极深处冰层经千百万年的冻结压积，其内部少杂质无气泡像一块纯净的水晶体，它具有优良的光学特性，这与天文望远镜要求高质量的光学透镜有着某种类似之处。中微子与介质中原子碰撞产生契伦科夫辐射（Cherenkov radiation）会产生一种特殊的蓝色幽光，探测中微子的本质就是对这些兰色幽光的精准测量，纯净的各向同性的冰介质是这种精准测量的基本保证。
“冰立方”中微子天文台工作原理示意图。
“冰立方”中微子天文台构成示意图。
冰立方感兴趣的只是来自遥远星系的高能中微子，但是地球外层空间受宇宙射线激发产生数量巨大的中微子，它们每时每刻都在轰炸着“冰立方”，它们也会在冰立方中产生兰色的幽光。要在百万以上中微子背景辐射中捕获少数高能中微子，这个过程要比草堆中寻针还要难千倍。
好在不同能级不同方向进入“冰立方”所产生的契伦科夫辐射的轨迹、偏振、形状和持续时间都是不同的，这些辐射产生的幽灵兰光被位于不同位置上的传感器在不同时刻采集下来，立即作数字处理后由电缆集中送到冰立方地面上的计算机中心。通过复杂的信号处理，“去粗取精，去伪存真，由此及彼，由表及里”，最后把来自遥远星系的高能中微子访客捕获。现代先进的信号处理技术是近年来天文物理学突飞猛进的关键，引力波的发现就是一个最好的佐证。测量引力波需要分辨质子尺度千分之一的长度变化，没有现代信号处理技术是完全不能设想的。
高能中微子一定来自高能激变的天体，这次被精准定位的TXS 0506 + 056就是耀变体(blazar)，这是一类极其活跃的星系，它的核心是一个超级大黑洞。当邻近恒星路过巨大黑洞时，会引起“潮汐撕裂事件”被黑洞吞噬[1]。因为黑洞本身的旋转在其附近空间引成强磁场，被高速吸入的部分恒星气体在磁场作用下沿着黑洞自旋轴方向加速弹出，引成接近光速的“相对论性喷流”(relativistic jets)。在这股喷流中被超级加速的质子彼此碰撞或与光子碰撞时，结果是产生π介子。带电的π介子衰变为μ介子和μ介子中微子，而中性π介子又衰变成伽马射线。耀变体的“相对论性喷流”就成为了燿眼的光芒、伽马射线暴和高能中微子的同一源头。
高能中微子在多信道、多手段天文观测中将起到不可替代的作用。中微子不带电荷、几乎不与其它任何物质相互作用，被称为宇宙中的“隐身人”。“无欲则刚”，中微子在行进中不受阻碍，一条道走到黑绝不拐弯。所以根据中微子轨迹很容易对重大天文事件定位。今后，中微子探测将成为多信道天文学(multi-message astronomy)观测的重要手段。
2017年8月17日引力波探测导致双中子星并合事件的发现。仅一个月后，2017年9月22日高能中微子探测把伽马射线暴与高能中微子的源头定位在TXS 0506 + 056星系上。这两个事件的科学意义无论怎样强调也不算过分。
1609年的秋天，伟大的物理学家伽利略举起自制的望远镜朝向星空，是人类天文物理的第一次突破。四百多年来，人类制作了各种各样的光学和射电望远鏡在天文观测中取得了丰硕的成果，但是所有这些设备都是基于对电磁辐射的观察测量，直到2017年人类又获得了引力波和高能中微子这两种新的测量方法。2017将以多信道天文学的开启之年在人类的科学进步史册上留下不可磨灭的印记。
最后谈二点个人看法：
1）与本次事件相关的两篇最新论文的分析都是3-sigma等级，3-sigma等级意味着论文的结论有相当高的置信度。科学家一般要求达到5-sigma阈值标准才将研究结果确定为“重大发现”，这是粒子物理学研究的通常做法，但天体物理及其它一些物理领域要达到这个标准比较困难。让我们以谨慎的热情欢迎本次发现，并耐心等待进一步的探测和更多数据的到来。
2）高能中微子实验纯属基础科学研究，主要的意义在于加深人类但宇宙、高能物理和基本粒子的理解和认识。在相当长的时期中，中微子都不会有什么实际应用价值，希望不会有人去开展中微子通信之类的工程活动。
注释：
[1] 黑洞“潮汐撕裂事件”和伽玛射线脉冲
http://blog.sciencenet.cn/blog-2761988-1088432.html
扫码关注微信公众号“科工力量”