南極冰層下探測到中微子 揭示遙遠星系特性

一個埋藏在南極冰層中的巨大天文台幫助科學家們捕捉到如幽靈一般的中微子，並將其來源追溯到一個距離地球約4,700萬光年的星系中心，為研究暗藏其中的超大質量黑洞提供了一種新方法。

根據11月3日發表在《科學》雜誌（Science）上的一項新研究，中微子正從一個名為Messier77（M77）的螺旋形星系中心向地球飛來。

在那裏，一個物質和輻射密集的區域圍繞著一個質量為太陽數百萬倍的黑洞。

M77所處的位置，被黑洞周圍的塵埃和氣體遮蔽，以至於用光學望遠鏡從地球上觀察時看不到，佐治亞理工學院物理學教授，該國際研究的發言人伊格納西奧塔博阿達（Ignacio Taboada）說：「我們從側面觀察這個星系，發現黑洞隱藏在繞其運行的物質後面。」

但是中微子——宇宙中最豐富和高能的粒子——穿過這樣的氣體和塵埃時卻不受影響，因其少與其它東西相互作用，包括磁場、物質或重力。研究人員說，這種幽靈般的特性為科學家們提供了一種前所未有的方法，來探測黑洞周圍發生的情況，包括它如何加速附近的超高溫帶電氣體和物質。

「中微子是看待宇宙的另一種方式。每次你以新的方式看待宇宙時，你都會學到一些用舊方法無法學到的東西，」塔博阿達說。

參與這項研究的密歇根州立大學博士後助理漢斯尼德豪森（HansNiederhausen）說，中微子保留了其產生時所留下的信息，包括其能量。相同的能量隨著中微子一起被帶到地球。

尼德豪森說，既然我們已經知道這些中微子的來源，研究人員已經開始研究它們以更好地了解在M77內產生並加速這些中微子的相互作用，以及黑洞本身的行為和性質。

他們還計劃梳理在宇宙中來自其它星系的中微子，這些星系具有類似於M77的活躍超大質量黑洞。這個星系「讓我們非常清楚下一步該朝哪裏觀測，」他補充道。

研究中使用的中微子探測望遠鏡又叫「冰立方中微子天文台」（IceCube Neutrino Observatory），埋在美國阿蒙森-斯科特南極站周圍的10億噸冰層中。當中微子穿過地球時，偶爾會與冰中的原子發生碰撞。天文台的五千多個籃球大小的感應器可以檢測這些罕見碰撞產生的副產品，並將這些數據發送到地表的電腦。

這個耗資2.79億美元的天文台主要由美國國家科學基金會資助，於2011年完工，每年可探測到大約十萬個中微子。

幾乎所有這些中微子都產生於地球大氣中，但每年也檢測到大約數百個來自太陽系以外的中微子——它們為稱作「天體物理中微子」。

由於中微子可以穿透物質而不受影響，所以會從其產生地點準確無誤地以直線傳播。因此，通過繪製天體物理學中微子穿過冰層的行進方向，研究人員可以重建其穿越宇宙返回源頭的路徑。

來自五十多個機構的近四百名科學家組成了國際冰立方合作項目，分析了天文台在2011年至2020年期間收集的數據，以確定有79個中微子來自M77星系。

沒有參與這項研究的倫敦帝國理工學院（Imperial College London）物理學教授內田耀司（Yoshi Uchida）博士說，「這一天文台在運行了10年之後，把針對中微子的觀測變成了另一個信息來源。」

塔博阿達說，他認為研究將繼續從這個星系中獲得更多的中微子。美國威斯康辛大學麥迪遜分校的物理學家、兼項目首席研究員弗朗西斯哈爾岑（Francis Halzen）表示，未來的探測不僅可以幫助解析有關M77超大黑洞的更多細節，還可以幫助回答「天文學中最古老的問題」。

一個多世紀以來，科學家們已知宇宙射線的存在——高能質子流和原子核以接近光速運動，並在撞擊地球大氣層時產生電磁輻射和亞原子粒子陣雨。但是這些射線來自何方？是甚麼機制加速並將其發送到地球的方向，謎團仍舊未解。

「宇宙中的某些東西猛踢了它們一腳，讓其跑得飛快，」尼德豪森談到宇宙射線時這麼說。

中微子是宇宙射線與高能物體（如超大黑洞）周圍的物質和輻射相互作用的副產品，因此，哈爾岑和塔博阿達說，將幽靈粒子追溯到其源頭或可協助解決宇宙射線的起源問題。◇

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