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20171031-SMG0035-快訊小紅條兒

「幽靈粒子」竟是「宇宙信使」!天文學家藉由「高能微中子」首度發現「宇宙射線加速器」

獵戶座「耀變體」(blazar)「TXS 0506+056」射出伽瑪射線與高能微中子(IceCube/NASA)

獵戶座「耀變體」(blazar)「TXS 0506+056」射出伽瑪射線與高能微中子(IceCube/NASA)

去年9月22日,深藏在地球南極冰層中的感測器接收到一個訊號:一顆高能「微中子」激發出藍光。但全球天文學界立刻總動員,調集各個波長的天文望遠鏡支援,鎖定40億光年外的獵戶座,找到這顆高能微中子誕生的地方,並且證明它就是宇宙射線的「加速器」!

宇宙中的幽靈催生「高能微中子天文學」

這發現看似虛無飄渺,但卻非常重要,為人類對宇宙的觀測、對物理學基本原則的探索開啟了新視野,論文登上美國《科學》(Science)期刊,代表「高能微中子天文學」(high-energy neutrino astronomy)從此誕生。

微中子(neutrino)極小極輕(電子的100萬分之1),不帶電荷,幾乎不與任何物質互動,極難偵測,科學家形容為「幽靈粒子」(ghost particle)。不過也正因如此,對於許多發生在宇宙深處的劇烈、複雜、混亂現象,微中子可以扮演忠實的「信使」(messenger),帶來極為珍貴的訊息,並且協助我們追查宇宙射線(cosmic ray)的起源與行蹤。

獵戶座的「耀變體」,伴隨「宇宙射線」的微中子

這顆跨越40億光年造訪地球的微中子,來自獵戶座(Orion)「右肩」的一個「耀變體」(blazar)「TXS 0506+056」,它是一個密度極高的活躍星系核(AGN),中間有一個超大質量黑洞,在40億年前發生伽瑪射線爆發(gamma-ray burst,GRB),向外發射兩道宇宙射線,呈現為無線電波、X射線與可見光,當然,其中也有微中子。光線(電磁波)會被阻擋,重力波會被扭曲,只有微中子有機會暢行無阻,它不但是位使者,而且是位「不會迷路的使者」。

換言之,這顆微中子40億年前出發時,我們的太陽還相當年輕,地球才粗具雛形。在它旅行的40億年間,地球孕育出生命,幾度興盛又幾度滅絕,並且出現「智人」(Homo sapiens)這個物種,發展出先進的文明與科技,能夠在浩瀚無垠的太空之中「捕捉」一顆極其微小又極其重要的基本粒子。

黑洞(ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani)
黑洞(ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani)

這並不是人類第一次偵測到微中子,也不是第一次確認其來源,但之前已知的兩個來源──太陽與「SN 1987A」超新星──都近在咫尺(以宇宙尺度而言),而且產生的都是低能量微中子。相較之下,這顆微中子不但是有朋自遠方來,而且能量是太陽微中子的數百萬倍,代表完全不同性質的誕生過程,對人類而言是首度大開眼界。

極高能量的宇宙射線從何而來?高能微中子透露線索

另一方面,標定高能微中子的來源,對於宇宙射線的研究至關重要。科學家早在1912年就偵測到宇宙射線,但是一直無法參透:這種極高能量的粒子流是如何產生?原因在於宇宙射線帶有電荷,行進路徑會被磁場(例如地球的磁場)偏移,其來源難以確認。現在科學家能夠判定高能微中子是來自何方,和它相伴相生的宇宙射線「身世」也將無所遁形。

天體物理學家葛蘭特(Darren Grant)形容,這就像科學家過去100年來都是「閉著眼睛聽打雷」,耳邊隆隆作響,但是不知道雷聲是如何產生。偵測到高能微中子的來源之後,科學家終於打開眼睛,看到與雷聲相伴的閃電。以去年9月22日現蹤的這顆微中子而言,就是讓科學家探知40億年前出現在40億光年外的獵戶座「耀變體」,其中一道宇宙射線衝著地球而來。

南極冰立方微中子觀測站(IceCube Neutrino Observatory)(Icecube/NSF)
南極冰立方微中子觀測站(IceCube Neutrino Observatory)(Icecube/NSF)

「冰立方」:深藏在南極冰層中的5千個微中子感測器

至於這顆微中子到底是如何現蹤,則是歸功於一樁冰天雪地中的科學偉業。從2005年夏天開始,美國國家科學基金會(National Science Foundation)投下2億7900萬美元(新台幣84億元),在南極阿蒙森─史考特站(Amundsen–Scott South Pole Station)建立「冰立方微中子觀測站」(IceCube Neutrino Observatory)

微中子偵側(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
微中子偵側(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

科學家與工程師利用南極夏天永晝較為溫暖(零下18度)的條件,在冰層上融化數十個深達1.6公里的洞穴,放進一串一串球型的微中子感測器,最終在南極冰層中形成一個體積1立方公里、由5160個感測器組成的「冰立方」(IceCube),也是全世界規模最大的粒子偵測裝置。

如何偵測微中子?等它撞擊原子核並放出藍光

之所以要如此大費工夫,原因在於微中子的「幽靈特質」讓它神龍見首不見尾,因此微中子感測器必須浸入水中或者埋入冰層,以濾除其他宇宙粒子造成的雜訊。微中子唯有在撞擊到某個原子核並產生帶電粒子,放出一道藍光,才有可能被偵測到。

機率多高?從原子層面來看,我們熟悉的物質其實絕大部分是「空間」,就算將一個氫原子放大到地球的規模,其中心的質子只相當於一座足球場,電子更小,而微中子只有一隻螞蟻大小。因此儘管微中子在宇宙的豐度僅此於光子(photon),但是偵側它絕非易事,偵側高能微中子更是難上加難。

微中子與冰分子的交互作用(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
微中子與冰分子的交互作用(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

「冰立方」計畫的最新成果不但代表「高能微中子天文學」揭開新頁,也是「多信使天文學」(multimessenger astronomy)的絕佳範例,全球1000多位研究人員投入,進行各種波長──電磁波、重力波、微中子──的觀測,為一個天文學上最強而有力的現象──耀變體──驗明正身:原來它就是宇宙射線的粒子加速器(particle accelerator)。

高能微中子全球觀測(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)
高能微中子全球觀測(Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube)

 

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