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南極地底探測儀 錄得 37 億光年黑洞微中子訊號

2018/7/16 — 10:33

IceCube 實驗室/Icecube/NSF

IceCube 實驗室/Icecube/NSF

去年 9 月 22 日,位於南極 IceCube 實驗室測量到神秘粒子高速衝向地球。這種神秘粒子是微中子——是已知最質量最小的粒子。此發現已刊於《科學》。

微中子源:耀變體

IceCube 實驗室及地底下的測量儀器/IceCube Collaboration/NSF

IceCube 實驗室及地底下的測量儀器/IceCube Collaboration/NSF

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今次測量到微中子的探測器位於南極的 IceCube 實驗室。實驗室由全球 12 個國家、 300 位科學家共同營運,但目前只有兩位科學家留守當地。實驗室下 1.5 公里的探測器由超過 5,000 個極敏感的光電倍增管組成,範圍約一立方公里。當微中子在極罕有情況下擊中冰層的原子核時,切倫科夫輻射 (Cherenkov radiation) 將會釋出,並因在冰層影響下,產生出藍光,而冰層內的光電倍增管就可錄得相關訊號。

中微子與冰層碰撞後的意想圖/Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

中微子與冰層碰撞後的意想圖/Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

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IceCube 探測器在去年感應到微中子後,即時通知不同科研隊伍的天文人造衛星。今次錄得的粒子能量極大,相信達 300 兆電子伏特 (Trillion Electron Volts),能量足足比歐洲粒子加速器產生多能量多 50 倍。本身要測量微中子已非易事,而且費米伽瑪射線太空望遠鏡 (Fermi Gamma-ray Space Telescope) 也剛好錄到相關活動,令科學家得知微中子行走的方向。 IceCube 研究人員推算,微中子可能是由被暱稱為德薩斯源 (Texas Source) 的星系而來。研究人員再翻查數據,同一區域在 2014 和 2015 年期間,也曾測量過微中子爆發 (neutrino burst) 。

無聊的黑洞

廣島大學天體物理學家 Yasuyuki Tanaka 在 6 天後,也發現獵戶座一個星系內的黑洞會釋出高能量粒子。這個黑洞中在數十年前已被天文學家發現,但由於其活動量相對少,科學家一直都認為它有點「無聊」。不過,今次的微中子發現令研究人員不能再忽視此黑洞。負責費米伽瑪射線空間望遠鏡的 NASA 天體物理學家 Roopesh Ojha 接收到 IceCube 訊號後,覺得「事有蹊蹺」。隨即以望遠鏡繼續追蹤微中子源,並觀察到一個被命為為 TXS 0506+056 的耀變體 (Blazar) 曾釋出高能量伽瑪射線。與此同時,他的同事也以光學測量,發現到此黑洞也在釋出可見光。

另一邊廂,位於加納利群島的 Magic 天文望遠鏡,也在數天後測量到類似結果。最終共有 18 組天文望遠鏡錄到此現象,確認微中子可追溯到耀變體 TXS 0506+056 。

耀變體 (Blazar) 意想圖 / Wikipedia

耀變體 (Blazar) 意想圖 / Wikipedia

甚麼是耀變體 (Blazar)?

耀變體是指向地球、位處星系中央的高密度能量源。這類黑洞的吸收率極大,同時會對外釋出高能量粒子和微中子。這類高能量宇宙射線還包括質子 (proton) 和其他帶子粒子。不過這類粒子都帶有電荷,會被星際磁場影響,所以一般都難以讓科學家追蹤源頭。佈滿宇宙間的微中子則沒有這個問題,它們沒有電荷,不會被磁場影響軌道,且只能以重力和另一種基本力——弱相互作用 (weak nuclear force) 與其他物質互動。因此,微中子成為讓科學家了解宇宙射線的重要線索。

了解宇宙的踏腳石

未有參與研究的艾奧瓦州立大學物理學家 Mayly Sanchez 認為證據相當有力,但未來需要從同一源頭中「接收」和錄得更微中子訊號。研究人員 Francis Halzen 亦坦言,雖然現在已知巨型黑洞能為加速粒子,但實際微中子怎樣形成,以及怎樣將微中子加速釋出,還需分析過去幾個月的數據了解。另外,微中子源究竟有甚麼特別,而耀變體又是不是產生所有微中子和宇宙射線的唯一源頭,宇宙中有沒有其他製造微中子的機制等,都尚需解決。 另外,今次研究也再次顯示以不同訊號觀察—— Multi-messenger Astronomy——的重要性。

發現本身更可謂是對於了解宇宙和物理學的重要一步。

由於科學家一般認為組成高能量宇宙射線的質子和重原子核有機會與微中子出現的方法相似,發現或能幫助科學家了解它們是否依靠中子星併合,或者是由磁星 (Magnetars) 產生形成。除此以外,今次發現也有助計算微中子質量、嘗試找出假說中存在的惰性微中子 (Sterile Neutrino) ,甚至測量暗物質等。李斯特大學研究人員 Julian Osborne 接受《衛報》訪問時形容:「這是全新方法去觀察宇宙⋯⋯絕對是新類型天文學的黎明。

參考資料:
ABC Science, Cosmic neutrinos traced to their source for first time: A distant, violent black hole called a blazar, 13 July 2018
The New York Times, It Came From a Black Hole, and Landed in Antarctica, 12 July 2018
The Guardian, Neutrino that struck Antarctica traced to galaxy 3.7bn light years away, 13 July 2018
Quanta Magazine, Neutrinos Linked With Cosmic Source for the First Time, 12 July 2018
Wired, What's a Blazar? A Galatic Bakery for Cosmic Rays, 12 July 2018

報告:
The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403 teams. (2018). Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science, 361, 6398. DOI: 10.1126/science.aat1378
IceCube Collaboration. (2018). Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science, 361, 6398. 
DOI: 10.1126/science.aat2890

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu、David Yu

 

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