原标题:宇宙深处:探求高能天文中微子之谜

戴本忠 杨深邦江西京大学学物理与天文高校

编者按:美利坚合众国南边时间二〇一八年四月二31日傍晚11时,冰立方中微子天文望遠鏡团队在Washington进行发表会,公布天文领域的又一器重开掘:其架设在南极的千里镜实时预先警报系统于世界和煦时间二零一七年六月二十七日20:54:30.43探测到了贰个能量约为290
TeV的高能缪子中微子(muon
neutrino卡塔尔,并取名字为IceCube-170922A。那是第三个具备银系之外根源的相当的高能中微子事件。对此本刊专访了在冰立方中微子天文台专门的工作的妙龄物文学家表示徐东莲博士。

发源:《今世物理知识》

《科技术带领报》:请介绍一下冰立方这些类别的背景。

宇宙线开掘100年来,大家对其成分、发生和加快机制、及其传播效应举办了大范围的研究,并拿到了增进的宇宙物理新闻,但其来自于今依旧不亮堂。平日以为相对低能的宇宙线起点于银系内,超级高能宇宙线源点于河外。而作为宇宙中最清楚的河外天体,活动星系核很恐怕是河外宇宙线源。随着多信使观测时期的来到,大家具有了空前的从全部上去明白高能伽马射线和河外超级高能宇宙线最佳机缘。

徐东莲:宇宙射线是惊人电离的带电粒子,主要成份是质子,在一九一一年被维克多 · 赫斯(维克托 Hess卡塔尔国开采。带电的宇宙射线在通过星际空间时,运动方向会受到磁场效应发生偏转,被探测届期无法指回根源,物工学家经过1个多世纪的钻研,还还没弄明白它的成因,非常是所探测到最高能的宇宙射线的能量(1020
eV卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎比近些日子最大的人工粒子加快器(1012~1013
eV)还要高7~8个数据级。因而宇宙射线源点难题是三个世纪难点,被《Science》杂志列为1二十多个21世纪前叶急于的难点之大器晚成。

一、引言

物农学家遍布以为,高能宇宙射线来源于激烈变化的天体冲击波磁场的加快,PeV(1015 eV卡塔尔能级以上的宇宙射线主要缘于银河系以外产能刚烈的大自然意况,举个例子主题具有超级大品质黑洞的移动星系核。宇宙射线在运动星系核磁化的相对论性喷流中被加快到非常高的能量,并与左近的光子或别的宇宙射线发生强子进度(hadronic
process卡塔尔国反应(即相当的高能的宇宙射线原子核被破裂卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎,发生伽马光子和高能中微子。同样的进程也会在宇宙射线撞击地球大气原子核的时候发出(图1卡塔 尔(英语:State of Qatar)。由此,若能探测到高能的大自然中微子,则能一贯表明高能宇宙射线是被磁场加速而发生,那一个霸气的宇宙空间源正是先个性的“宇宙粒子对撞机”。不过,这几个诸如活动星系核的天体离咱们极其长久,达到地球的高能中微子预期流量超低,加上中微子只与物质发生Infiniti柔弱的弱相互影响。要对轻微的宇宙中微子流量有灵敏度,至少须要立方公里、10亿吨量级的探测器。坐落在南南北极理终极上的冰立方中微子天文望遠鏡(IceCube
Neutrino Observatory卡塔尔国正是相符条件的探测器,它于二〇一〇年建设成,是时下世界上最大的中微子探测器。冰立方是由5000多少个光敏元器件组成的阵列,埋在深度为1450和2450 m的南极冰川中。通过体察中微子反应发生的次级带电粒子在冰川中飞行所发出的契伦科夫辐射(Cherenkov
radiation,物体在媒质中以超过光在该介质媒质中的传播速度移动时所产生的后生可畏种电磁辐射卡塔尔,来切磋中微子。

大家对天体的认知和明白都源于于观测天体获得的各类辐射消息,近期大家获取天体音讯的沟渠首要有两种,富含电磁辐射、中微子、重力波和根源地球以外的从电子、原子核到陨石等大自然物质。

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电磁辐射是源于大自然的各类能量的电磁波,大家使用射电、红外、光学、紫外以致X射线和伽马射线窥远镜能够获取从平庸射电波段到高能伽马射线波段的全波段数字信号。宇宙中的高能X射线、伽马射线主要源于于一些留神天体,如脉冲星、球状星团、活动星系核等。自20世纪70年间以来,利用空间X射线和伽马射线望遠鏡开掘了许多X射线和伽马射线源,非常是大气切伦科夫千里镜手艺的施用,大家能够在甚高能波段(30
GeV~30 TeV)观测到差异等级次序天体的高能辐射。

图1 宇宙射线与地球大气原子核碰撞暗意(图片来自:Asimmetrie/INFN卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎

什么高能伽马射线被感到差十分的少完全出自于高相对论粒子与情形物质或光子场的相互影响。发生于大自然极端条件规范下相对论性高能带电粒子的辐射、宇宙前期爆发的重粒子以致暗物质粒子的衰变和消弭等非热辐射进程,是商讨高能宇宙线源点及加快机制、天体的相对论性非热辐射进程的首要探针,也是钻探伽马射线暴、Loren兹破坏及直接衡量暗物质粒子等的要害花招,还可用来度量河外背景光子场、星系际磁场及哈勃常数等关键宇宙学参数。

图2是冰立方冰面实验室,内部主要囤积数据读取的重型Computer阵列。下方草绿晕染中的中蓝圆点是探测器的着力元器件DOM,豆蔻梢头共有51伍十五个DOM埋在深冰里,静静等待中微子与冰原子核反应后发出的切伦科夫辐射蓝光。

重力波是1913年爱因Stan广义相对论预知的宇宙时间和空间扰动发生的重力辐射。在议论预知100年之后,东京(Tokyo卡塔 尔(英语:State of Qatar)时间二零一六年九月12日U.S.激光干涉重力波天文台第二回观测到了深远星系中多个分级为36
和29倍太阳品质的黑洞并合为62倍太阳品质黑洞所爆发的重力波辐射,该事件获得前年度诺Bell物管理学奖。随后在二零一七年十一月二一日,LIGO和澳洲激光干涉重力波天文台协同探测到1.3亿光年外的双中子星合并产生的引力波辐射,伴随重视力波辐射同期观看到了电磁辐射,那也是人类第二回直接探测到重力波电磁对应体。探测到电磁对应体是天国学家期望已久的机要开采,在天农学以至物法学发展史上富有空前的意义,正式拉开了多信使天军事学时期,有助于大家对大自然的认识。

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高能宇宙线在加快和传布进度中都可能发生高能中微子,中微子不带电,在天体磁场中不受磁场的偏转,可以直接反推源的自由化,由此能够当做找寻宇宙线源的美貌“信使”。前年五月19日,南极冰立方IceCube
探测到了贰个能量为300TeV
的高能宇宙中微子,那一个中微子大概来自于已知的相距地球大概40亿光年的耀变体。

图2
冰立方冰面实验室(图片来自:IceCube/NSF卡塔尔

从电磁辐射到重力波再到高能中微子的探测,大家得到了越多来自大自然的音讯,让我们得以更完美的问询天体和宇宙,也让我们对天空中最刚劲的天体和事件有了更要紧的新观念。随着多信使观测时期的到来,大家也迎来了研商一些烦劳已久的问题的极致机遇,如宇宙线及其源点难题。超级高能宇宙线起源的最恐怕候选者之意气风发的运动星系核的钻探,在此个时期中很有异常的大或然会获取突破性的张开,进而让我们重新认知那豆蔻梢头类河外极端天体。

《科技(science and technology)导报》:探测器为啥要埋在地下?

二、宇宙线及其焦点属性

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,是实验本底的要紧来源。然则,穿透力再强的带电缪子也心有余而力不足通过全数地球,但绝大多数中微子能够轻易达成(1个TeV能级的中微子穿越地球进程中约发生1次反应卡塔尔国。所以,冰立方是三个用到地球作“滤镜”而“俯视”北半球星空的中微子千里镜(图3卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎。

宇宙线是发源大自然空间的高能粒子流的总称,包涵以质子为主的各样要素的原子核、电子、中微子、高能光子、其他只怕的未知粒子。个中五分四是质子,9%
He核,1%任何重核。

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100多年来,利用各样直接和直接探测手腕,大家已经收获了从平庸109eV到最高可达1020eV的宇宙线。能量超过1013eV宇宙线能谱如图1所示。

图3 1个缪子中微子与1个冰原子核发生影响发生的缪轻子,在通过冰层时发生了灰褐的切伦科夫辐射(图片来源于:IceCube/NSF卡塔尔国

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《科技(science and technology)术指引报》:你们发掘了什么?

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徐东莲:位居南极的冰立方中微子千里镜发掘了高能天体中微子和蝎虎座BL型耀变体(BL Lac object卡塔尔国TXS0506+056相关联的证据。那是除了太阳和一九九〇年在大豆哲伦星云产生的歌星SN一九九零A外,人类探测到的第三个中微子天体源,何况此次发掘的中微子能量比此前一次开掘的中微子能量高度大概1亿倍。耀变体(blazar卡塔尔是活动星系核(AGN卡塔尔的大器晚成种,宗旨引擎是叁个一点都超大品质的黑洞,在黑洞吸积的成效下形成相对论性喷流,而喷流方向指向地球的位移星系核被称为耀变体。图4示意了耀变体喷流指向地球,并发出伽马光子和高能中微子。中微子被南极的冰立方窥远镜探测到,而伽马辐射则被费米卫星伽马千里镜和本地的汪洋切伦科夫千里镜MAGIC探测到。

图1
能量抢先1013eV宇宙线能谱。差异符号分裂颜色的数根据地分别表示着差别的探测器,如Logo所示。

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宇宙线能谱总体上得以用贰个幂律谱来描述,但出于幂律谱指数γ的转移产生了有的特有的能谱结构,分别是在1015~1016eV
的“膝”区和1018~1019eV的“踝”区,其它1017eV左右的三个布局称为第二“膝”区。日常以为,“踝”区以下的宇宙线或许源点于银系,日常可以称作银系宇宙线,而“踝”区以上能量超越1018eV
的宇宙线由银系外天体发生,平日可以称作超高能宇宙线。对于银系宇宙线,“膝”区以下的平庸宇宙线为人质占主导;第二“膝”区到“踝”区,质子的丰度鲜明直面压迫,重核稳步占主导,那很有希望是由于银系源的加速极限或然粒子逃逸招致的。

图4
耀变体喷流指向地球艺术图(图片源于:IceCube
Collaboration/谷歌(Google卡塔 尔(英语:State of Qatar) Earth:PGC/NASA 米国 吉优logical Survey Data
SIO,NOAA, United States Navy, NGA,GEBCOLandsat/Copernicus卡塔尔

三、宇宙线是怎么着产生的?

《科学技术术指引报》:请介绍一下此番开掘的进度。

鉴于宇宙空间存在着各样磁场,宇宙线又以带电粒子为主,所以短时间天体发生的宇宙线将要传诵进度中倍受磁场的偏转,不可能正确的推断宇宙线的先前时代源于。同一时候鉴于地球大气的存在,宇宙线步入大气后,将会与大气中的原子核发生各类相互影响,产生各类次级粒子,形成高低的“广延大气簇射”,由此无法在地球上直接探测原初宇宙线。

徐东莲:世界和煦时间前年1月15日20:54:30.43,冰立方的实时预先警示系统探测到了三个能量约为290
TeV的缪子中微子事件,并取名字为IceCube-170922A(位于亚洲的大型强子对撞机LHC最高只可以将人质加快到13 TeV卡塔尔国。

也多亏因为存在此些困难,直到以后大家照旧不能鲜明宇宙线是怎么着发生的、在怎么地点发生、以至宇宙线的流传机制等等最基本的难题。

43 s内,冰立方千里镜就要中微子的初估方向通过多信使天文望遠鏡网(AMON,Astrophysical Multi-messenger
Observatory Network卡塔尔向国内外的千里镜预先警示。HESS、VE帕杰罗ITAS和MAGIC等超级高能的(very-high-energy, VHE卡塔 尔(英语:State of Qatar)大气契伦科夫影象伽马望遠鏡在收到预先警告后的数时辰即对IceCube-170922A实行了跟进观测,然而未有探测到VHE伽马光子。5月二十五日,费米卫星伽马千里镜首先探测到该中微子方向上有加强的GeV能段伽马辐射,并发掘该辐射源是已知的耀变体TXS0506+056。受到费米发掘的驱动,MAGIC在3月十八日起又对该中微子方向跟进观测了累积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鲜明。但这一个高能中微子与TXS0506+056耀变体是还是不是有望只是随便方向重叠而并从未直接物理关联,综合思考到日前已探测到的保有耀变体和冰立方已探测到的全数高能缪子中微子,以至冰立方过去已发送过的具有高能中微子预先警示,这几个自由可能率以3σ(99.7%卡塔 尔(英语:State of Qatar)的置信度被免去。

就算,上百多年的洞察和商量,理论上依旧提出了部分或者的关于宇宙线源点、加快和扩散等主导模型。

射电、光学、X射线等任何波段都探测到了复信号,而且与耀变体特征切合(图5卡塔尔。尤其是,耀变体TXS0506+056与地球的离开意气风发早先并不知道,直到二〇一八年二月才通过10.4 m口径的GTC光学千里镜探测到部分软弱的五金发射线而规定红移为z=0.34,间距地球约40亿光年。就算中微子有轻微的质量,只可以以稍差于光速的速度飞行,不过对于万亿电子伏特能级的中微子来讲,飞越40亿光年的中微子和光子达到地球的年华差可忽视不计。

分布认为银系宇宙线的来源于是歌唱家古迹,近期侦查到的超新星神迹的强子进度恐怕是这几个思想的三个强盛的凭证。但是,一些新的观看比赛证据也申明银河系核心黑洞也恐怕是银河系宇宙线的发源。但无可争辩的实际和结论,仿佛对非常高能宇宙线的认知相近,还亟需更加的多的考查和钻探。

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据说希尔as条件,粒子被加快到最大能量重要与加速天体加快区的尺码和磁场强度有关。从图2的Hillas图能够观察,宇宙中生龙活虎类特别天体活动星系核很有望全部将宇宙线粒子加快到1020eV
的技术,那也是当前普及以为最有希望成为河外宇宙线源的风流罗曼蒂克类天体。

图5
对IceCube-170922A进行跟进观测的千里镜(图片源于:Nicolle XC60.
Fuller/NSF/IceCube卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎

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留意识IceCube-170922A大概与耀变体TXS0506+056相关联时,大家很当然地想到解析那几个倾向上的野史数据,可能会有更加多的中微子。果然,在2016年三月光景共110天找到了18个几十TeV的中微子,但预期独有6个本底事件,显明性3.5σ。至此,多信使观测不仅仅见到了高能中微子与辐射巩固耀变体的时辰和空间关联性,且在同叁个样子上不一致的时刻段独立意识了越来越多的高能中微子,因而得以确信,耀变体TXS0506+056实在能发出高能中微子。

图2
种种大概加快宇宙线的大自然在Hillas图的岗位。在红线以上的宇宙空间能够加快铁核到1020eV,蓝线以上的宇宙可以加速质子到1020eV。能够看见AGN也许持有加速宇宙线粒子到相当的高能的技巧

《科学技术术辅导报》:那个意识意味着什么样?

四、为何活动星系核是大概的河外宇宙线源?

徐东莲:高能宇宙射线的来自之谜百余年未解,冰立方在二零一三年探测到的高能天体中微子根源也直接没找到。那么些发掘表明有部分耀变体确实能加速宇宙射线到几十PeV(1015 eV卡塔尔国到几十EeV(1018 eV卡塔尔国的能级,这么些高能宇宙射线与耀变体根源的伽马光子反应发生了高能中微子,由此那也还要有个别作答了冰立方所探测到的高能中微子的源于难点。

运动星系核是意气风发类主题核区具备刚强活动的河外星系,是宇宙中已知的最亮的大自然,占河外星系的总额十分之一不到。日常感觉,AGN中央设有贰个材质在106~1010太阳质量的十分大品质黑洞,通过吸积左近的物质进而释放出多量的能量,总光度可不仅仅1048ergs
s-1,并设有吸积盘和尘埃环等物质成分,部分AGN还有可能会在吸积盘的垂直方向产生准直的相对论性喷流。图3交由了AGN的几何结构暗指图。

这也是人类第一回探测到银系外的相当高能中微子源,并且达成了多信使的通力合营观测。验证了大家真正能够行使幽灵平日的中微子来商量遥远的宇宙,意味着高能中微子天文时代的降临。

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《科技(science and technology)术教导报》:为啥说天体中微子让大家有了探求宇宙的“第六感”?

图3 AGN的几何结构暗指图

徐东莲:不像高能伽马光子,天体中微子未有视野,能够超越遥远的大自然空间,带给产生在大自然边缘的消息。此外,中微子以至能够轻易穿透对高能伽马光子致密的天体情况,带给蒙蔽在此些高能致密的大自然角落里的新消息,让化学家能够窥见这么些“隐衷”的场子,或“暗源”。比如贰零壹陆年1月在TXS0506+056大方向上的中微子汇集事件,就从未有过伴随分明的伽马辐射巩固,本场景以后尚未曾很好的模型能够解释。这种观念电磁望遠鏡“胸有成竹”也回天乏术,鬼怪天常看不见摸不着的中微子却能提供全新的见地,就像人类开了“第六感观”来钻探宇宙相似。

我们得以把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半数以上的吸积的刑释解教能量,而非喷流AGN则透过辐射的花样来耗散吸积能,又称为“辐射型”AGN。

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