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日期:2019-09-13编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:宇宙深处:探索高能天文中微子之谜

戴本忠 杨深邦云南大学物理与天文学院

编者按:美国东部时间2018年7月12日上午11时,冰立方中微子天文望远镜团队在华盛顿召开发布会,宣布天文领域的又一重大发现:其架设在南极的望远镜实时预警系统于世界协调时间2017年9月22日20:54:30.43探测到了一个能量约为290 TeV的高能缪子中微子(muon neutrino),并命名为IceCube-170922A。这是首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。对此本刊专访了在冰立方中微子天文台工作的青年科学家代表徐东莲博士。

来源:《现代物理知识》

《科技导报》:请介绍一下冰立方这个项目的背景。

宇宙线发现100年来,人们对其成分、产生和加速机制、及其传播效应进行了广泛的研究,并获得了丰富的天体物理信息,但其起源至今仍然不清楚。一般认为相对低能的宇宙线起源于银河系内,极高能宇宙线起源于河外。而作为宇宙中最明亮的河外天体,活动星系核很可能是河外宇宙线源。随着多信使观测时代的到来,我们拥有了前所未有的从整体上去理解高能伽马射线和河外极高能宇宙线最好机遇。

徐东莲:宇宙射线是高度电离的带电粒子,主要成分是质子,在1912年被维克托 · 赫斯(Victor Hess)发现。带电的宇宙射线在穿越星际空间时,运动方向会受到磁场作用发生偏转,被探测到时无法指回源头,科学家经过1个多世纪的研究,还没有弄清楚它的成因,尤其是所探测到最高能的宇宙射线的能量(1020 eV)比目前最大的人造粒子加速器(1012~1013 eV)还要高7~8个数量级。因此宇宙射线起源问题是一个百年难题,被《Science》杂志列为125个21世纪前叶亟待解决的难题之一。

一、引言

科学家普遍认为,高能宇宙射线来源于激烈变化的天体冲击波磁场的加速,PeV(1015 eV)能级以上的宇宙射线主要来源于银河系以外产能剧烈的天体环境,例如中心拥有超大质量黑洞的活动星系核。宇宙射线在活动星系核磁化的相对论性喷流中被加速到极高的能量,并与周围的光子或其他宇宙射线发生强子过程(hadronic process)反应(即超高能的宇宙射线原子核被打碎),产生伽马光子和高能中微子。同样的过程也会在宇宙射线撞击地球大气原子核的时候发生(图1)。因此,若能探测到高能的天体中微子,则能直接验证高能宇宙射线是被磁场加速而产生,这些剧烈的天体源即是天然的“宇宙粒子对撞机”。然而,这些诸如活动星系核的天体离我们非常遥远,到达地球的高能中微子预期流量极低,加上中微子只与物质产生极度微弱的弱相互作用。要对微小的天体中微子流量有灵敏度,至少需要立方千米、10亿吨量级的探测器。坐落在南极地理极点上的冰立方中微子天文望远镜(IceCube Neutrino Observatory)正是符合条件的探测器,它于2010年建成,是目前世界上最大的中微子探测器。冰立方是由5000多个光敏元件组成的阵列,埋在深度为1450和2450 m的南极冰川中。通过观测中微子反应产生的次级带电粒子在冰川中飞行所发射的契伦科夫辐射(Cherenkov radiation,物体在介质中以超越光在该介质中的传播速度运动时所发出的一种电磁辐射),来研究中微子。

我们对宇宙的认识和了解都来自于观测天体获得的各种辐射信息,目前人们获得天体信息的渠道主要有四种,包括电磁辐射、中微子、引力波和来自地球以外的从电子、原子核到陨石等宇宙物质。

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电磁辐射是来自天体的各种能量的电磁波,人们利用射电、红外、光学、紫外以及X射线和伽马射线望远镜可以获得从低能射电波段到高能伽马射线波段的全波段信号。宇宙中的高能X射线、伽马射线主要来自于一些致密天体,如脉冲星、球状星团、活动星系核等。自20世纪70年代以来,利用空间X射线和伽马射线望远镜发现了很多X射线和伽马射线源,特别是大气切伦科夫望远镜技术的应用,我们可以在甚高能波段(30 GeV~30 TeV)观测到不同类型天体的高能辐射。

图1 宇宙射线与地球大气原子核碰撞示意(图片来源:Asimmetrie/INFN)

甚高能伽马射线被认为几乎完全来自于高相对论粒子与环境物质或光子场的相互作用。产生于天体极端环境条件下相对论性高能带电粒子的辐射、宇宙早期产生的重粒子以及暗物质粒子的衰变和湮灭等非热辐射过程,是研究高能宇宙线起源及加速机制、天体的相对论性非热辐射过程的主要探针,也是研究伽马射线暴、洛伦兹破坏及间接测量暗物质粒子等的重要手段,还可用来测量河外背景光子场、星系际磁场及哈勃常数等重要宇宙学参数。

图2是冰立方冰面实验室,内部主要存储数据读取的大型计算机阵列。下方蓝色晕染中的黑色圆点是探测器的基本元件DOM,一共有5160个DOM埋在深冰里,静待中微子与冰原子核反应后产生的切伦科夫辐射蓝光。

引力波是1915年爱因斯坦广义相对论预言的宇宙时空扰动产生的引力辐射。在理论预言100年以后,北京时间2015年9月14日美国激光干涉引力波天文台第一次观测到了遥远星系中两个分别为36 和29倍太阳质量的黑洞并合为62倍太阳质量黑洞所产生的引力波辐射,该事件获得2017年度诺贝尔物理学奖。随后在2017年8月17日,LIGO和欧洲激光干涉引力波天文台共同探测到1.3亿光年外的双中子星合并产生的引力波辐射,伴随着引力波辐射同时观测到了电磁辐射,这也是人类首次直接探测到引力波电磁对应体。探测到电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使天文学时代,有助于我们对宇宙的认识。

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高能宇宙线在加速和传播过程中都可能产生高能中微子,中微子不带电,在宇宙磁场中不受磁场的偏转,可以直接反推源的方向,因而可以作为寻找宇宙线源的理想“信使”。2017年9月22日,南极冰立方IceCube 探测到了一个能量为300TeV 的高能宇宙中微子,这个中微子可能来自于已知的距离地球大约40亿光年的耀变体。

图2 冰立方冰面实验室(图片来源:IceCube/NSF)

从电磁辐射到引力波再到高能中微子的探测,我们获得了更多来自宇宙的信息,让我们可以更全面的了解天体和宇宙,也让我们对天空中最强大的天体和事件有了更重要的新见解。随着多信使观测时代的到来,我们也迎来了研究一些困扰已久的难题的最好时机,如宇宙线及其起源问题。极高能宇宙线起源的最可能候选者之一的活动星系核的研究,在这个时代中很有可能会取得突破性的进展,从而让我们重新认识这一类河外极端天体。

《科技导报》:探测器为什么要埋在地下?

二、宇宙线及其基本性质

徐东莲:因为宇宙射线撞击大气原子核产生了海量穿透力很强的缪子轻子,是实验本底的主要来源。然而,穿透力再强的带电缪子也无法穿越整个地球,但绝大部分中微子可以轻松做到(1个TeV能级的中微子穿越地球过程中约发生1次反应)。所以,冰立方是一个利用地球作“滤镜”而“俯视”北半球星空的中微子望远镜(图3)。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称,包括以质子为主的各类元素的原子核、电子、中微子、高能光子、其他可能的未知粒子。其中90%是质子,9% He核,1%其他重核。

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100多年来,利用各种直接和间接探测手段,我们已经获得了从低能109eV到最高可达1020eV的宇宙线。能量大于1013eV宇宙线能谱如图1所示。

图3 1个缪子中微子与1个冰原子核发生反应产生的缪轻子,在穿越冰层时发出了蓝色的切伦科夫辐射(图片来源:IceCube/NSF)

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《科技导报》:你们发现了什么?

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徐东莲:位于南极的冰立方中微子望远镜发现了高能天体中微子和蝎虎座BL型耀变体(BL Lac object)TXS0506 056相关联的证据。这是除了太阳和1987年在大麦哲伦星云爆发的超新星SN1987A外,人类探测到的第3个中微子天体源,并且此次发现的中微子能量比之前两次发现的中微子能量高约1亿倍。耀变体(blazar)是活动星系核(AGN)的一种,中心引擎是一个超大质量的黑洞,在黑洞吸积的作用下形成相对论性喷流,而喷流方向指向地球的活动星系核被称为耀变体。图4示意了耀变体喷流指向地球,并发射伽马光子和高能中微子。中微子被南极的冰立方望远镜探测到,而伽马辐射则被费米卫星伽马望远镜和地面的大气切伦科夫望远镜MAGIC探测到。

图1 能量大于1013eV宇宙线能谱。不同符号不同颜色的数据点分别代表着不同的探测器,如图标所示。

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宇宙线能谱总体上可以用一个幂律谱来描述,但由于幂律谱指数γ的变化形成了一些特殊的能谱结构,分别是在1015~1016eV 的“膝”区和1018~1019eV的“踝”区,另外1017eV左右的一个结构称为第二“膝”区。一般认为,“踝”区以下的宇宙线可能起源于银河系,通常称为银河系宇宙线,而“踝”区以上能量大于1018eV 的宇宙线由银河系外天体产生,通常称为极高能宇宙线。对于银河系宇宙线,“膝”区以下的低能宇宙线为质子占主导;第二“膝”区到“踝”区,质子的丰度明显受到抑制,重核慢慢占主导,这很有可能是由于银河系源的加速极限或者粒子逃逸导致的。

图4 耀变体喷流指向地球艺术图(图片来源:IceCube Collaboration/Google Earth:PGC/NASA U.S. Geological Survey Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA,GEBCOLandsat/Copernicus)

三、宇宙线是如何产生的?

《科技导报》:请介绍一下此次发现的过程。

由于宇宙空间存在着各种磁场,宇宙线又以带电粒子为主,所以遥远天体产生的宇宙线将在传播过程中受到磁场的偏转,无法准确的判断宇宙线的最初起源。同时由于地球大气的存在,宇宙线进入大气后,将会与大气中的原子核发生各种相互作用,产生各种次级粒子,形成大大小小的“广延大气簇射”,因此无法在地球上直接探测原初宇宙线。

徐东莲:世界协调时间2017年9月22日20:54:30.43,冰立方的实时预警系统探测到了一个能量约为290 TeV的缪子中微子事件,并命名为IceCube-170922A(位于欧洲的大型强子对撞机LHC最高只能将质子加速到13 TeV)。

也正是因为存在这些困难,直到现在我们还是无法确定宇宙线是如何产生的、在什么地方产生、以及宇宙线的传播机制等等最基本的问题。

43 s内,冰立方望远镜即将中微子的初估方向通过多信使天文望远镜网(AMON,Astrophysical Multi-messenger Observatory Network)向全世界的望远镜预警。HESS、VERITAS和MAGIC等非常高能的(very-high-energy, VHE)大气契伦科夫影像伽马望远镜在收到预警后的数小时即对IceCube-170922A进行了跟进观测,但是没有探测到VHE伽马光子。9月28日,费米卫星伽马望远镜首先探测到该中微子方向上有增强的GeV能段伽马辐射,并发现该辐射源是已知的耀变体TXS0506 056。受到费米发现的驱动,MAGIC在9月28日起又对该中微子方向跟进观测了累计13 h,并最终探测到在80~400 GeV能级的高能伽马辐射。至此,IceCube-170922A与耀变体TXS0506 056相关联的证据已较为明显。但这个高能中微子与TXS0506 056耀变体是否有可能只是随机方向重叠而并没有直接物理关联,综合考虑到目前已探测到的所有耀变体和冰立方已探测到的所有高能缪子中微子,以及冰立方过去已发送过的所有高能中微子预警,这个随机概率以3σ(99.7%)的置信度被排除。

尽管如此,上百年的观测和研究,理论上还是提出了一些可能的关于宇宙线起源、加速和传播等基本模型。

射电、光学、X射线等其他波段都探测到了信号,并且与耀变体特征相符(图5)。尤其是,耀变体TXS0506 056与地球的距离一开始并不知道,直到2018年2月才通过10.4 m口径的GTC光学望远镜探测到一些微弱的金属发射线而确定红移为z=0.34,距离地球约40亿光年。尽管中微子有微小的质量,只能以稍低于光速的速度飞行,但是对于万亿电子伏特能级的中微子来说,飞越40亿光年的中微子和光子到达地球的时间差可忽略不计。

普遍认为银河系宇宙线的来源是超新星遗迹,最近观测到的超新星遗迹的强子过程可能是这个观点的一个强有力的证据。然而,一些新的观测证据也表明银河系中心黑洞也可能是银河系宇宙线的来源。但肯定的事实和结论,如同对极高能宇宙线的认识一样,还需要更多的观测和研究。

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根据Hillas条件,粒子被加速到最大能量主要与加速天体加速区的尺度和磁场强度有关。从图2的Hillas图可以看到,宇宙中一类特殊天体活动星系核很有可能具备将宇宙线粒子加速到1020eV 的能力,这也是目前普遍认为最有可能成为河外宇宙线源的一类天体。

图5 对IceCube-170922A进行跟进观测的望远镜(图片来源:Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

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在发现IceCube-170922A可能与耀变体TXS0506 056相关联时,我们很自然地想到分析这个方向上的历史数据,可能会有更多的中微子。果然,在2014年12月前后共110天找到了19个几十TeV的中微子,但预期只有6个本底事件,显著性3.5σ。至此,多信使观测不仅看到了高能中微子与辐射增强耀变体的时间和空间关联性,且在同一个方向上不同的时间段独立发现了更多的高能中微子,因此可以确信,耀变体TXS0506 056确实能产生高能中微子。

图2 各种可能加速宇宙线的天体在Hillas图的位置。在红线以上的天体可以加速铁核到1020eV,蓝线以上的天体可以加速质子到1020eV。可以看到AGN可能具备加速宇宙线粒子到极高能的能力

《科技导报》:这个发现意味着什么?

四、为什么活动星系核是可能的河外宇宙线源?

澳门新葡8455手机版 ,徐东莲:高能宇宙射线的起源之谜百年未解,冰立方在2013年探测到的高能天体中微子源头也一直没找到。这个发现表明有一些耀变体确实能加速宇宙射线到几十PeV(1015 eV)到几十EeV(1018 eV)的能级,这些高能宇宙射线与耀变体源头的伽马光子反应产生了高能中微子,因此这也同时部分回答了冰立方所探测到的高能中微子的来源问题。

活动星系核是一类中央核区具有激烈活动的河外星系,是宇宙中已知的最亮的天体,占河外星系的总数10%不到。一般认为,AGN中心存在一个质量在106~1010太阳质量的超大质量黑洞,通过吸积周围的物质从而释放出大量的能量,总光度可大于1048ergs s-1,并存在吸积盘和尘埃环等物质成分,部分AGN还会在吸积盘的垂直方向形成准直的相对论性喷流。图3给出了AGN的几何结构示意图。

这也是人类首次探测到银河系外的超高能中微子源,并且实现了多信使的协作观测。验证了我们确实可以利用幽灵一般的中微子来研究遥远的宇宙,意味着高能中微子天文时代的到来。

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《科技导报》:为什么说天体中微子让我们有了探索宇宙的“第六感”?

图3 AGN的几何结构示意图

徐东莲:不像高能伽马光子,天体中微子没有视界,可以穿越遥远的宇宙空间,带来发生在宇宙边缘的信息。另外,中微子甚至可以轻松穿透对高能伽马光子致密的天体环境,带来隐藏在这些高能致密的宇宙角落里的新信息,让科学家得以窥见这些“隐秘”的场所,或“暗源”。例如2014年12月在TXS0506 056方向上的中微子集聚事件,就没有伴随明显的伽马辐射增强,该现象现在还没有很好的模型可以解释。这种传统电磁望远镜“火眼金睛”也无能为力,鬼魅一般看不见摸不着的中微子却能提供全新的视角,就像人类开了“第六感观”来探索宇宙一样。

我们可以把AGN分成喷流AGN和非喷流AGN两大类。喷流AGN中的相对性喷流的动能带走了大部分的吸积的释放能量,而非喷流AGN则通过辐射的形式来耗散吸积能,又称为“辐射型”AGN。

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