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Jul. 20 2018

高能宇宙射線究竟來自哪裡,科學家找到了答案!

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  • 高能宇宙射線究竟來自哪裡,科學家找到了答案!

這趟長遠追尋的解答,將開啟研究宇宙的全新方式。

冰立方(IceCube)天文台是全世界首屈一指的微中子偵測站,座落在南極洲阿曼森史考特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)下方冰層的深處。PHOTOGRAPH BY SVEN LIDSTROM, ICECUBE, NSF VIA THE NEW YORK TIMES

科學家在南極冰層下方1.6公里深的地方,偵測到了一道閃光,這項發現和一種幽靈般的次原子粒子──「微中子」有關,不但可能解決百年來的宇宙之謎,甚至將開啟天文學的新頁。

1900年代初期,物理學家維克多.赫斯(Victor Hess)發現地球不斷被來自外太空的高能粒子轟擊,我們現在將這種粒子稱為「宇宙射線」。從那以後,科學家就一直在尋覓──是什麼樣的天體能像超強大的粒子加速器一樣,將這些極高能量的粒子噴發到宇宙之中。

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不過,大多數的宇宙射線都帶有電荷,而分散遍布整個太空的磁場會讓宇宙射線行進的路徑彎曲,因此科學家很難追隨宇宙射線的蹤跡,找到來源。這也就是為什麼目前科學家專注於搜尋微中子,這種粒子不帶電荷,也幾乎沒有質量,因此它們的路徑能成為我們追尋源頭的可靠指標。

位於南極洲的冰立方微中子天文台(IceCube Neutrino Observatory)是這項任務的領頭羊,和其他一些天文台一起偵測到一小部分宇宙中的高能微中子,研究結果顯示這些微中子來自非常遙遠的星系。這項發現讓天文學的新時代更添利器──想要研究解開宇宙奧秘不只可以靠光子,更可以靠粒子。

冰立方天文台首席科學家──威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的弗朗西斯.郝爾琛(Francis Halzen)表示:「我們終於逮到了宇宙的粒子加速器了,毫無疑問,這讓人太興奮了!」他們在7月12日出版的《科學》(Science)和《皇家天文學會月報》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)期刊發表了三篇論文,公布這項研究結果。

一起彈跳吧!

在這之前,科學家就發現了來自太陽和鄰近超新星殘骸的微中子,但兩者都沒有足夠的威力將最高能的宇宙粒子拋射到地球上。

由於微中子和其他類型的物質發生的交互作用非常微弱,因此光是要偵測到微中子就是件不簡單的任務。現在就有數以兆計的太陽微中子正在經過你的身體。阿曼森史考特南極站下方的冰立方天文台有一立方公里的冰塊,利用5160個光偵測器來探測宇宙微中子高速穿越地球時,與冰塊中的原子核交互作用所產生的微弱閃光。

自從2013年以來,有幾個極高能的微中子(科學家異想天開地以芝麻街人物為這些微中子命名)穿過極區冰層,被冰立方天文台的偵測器記錄下來。但這些微中子令人沮喪的難以確認是來自單一天體,讓科學家只能得到一些可能來源天體的線索。

真是美好的一天

一直到2017年9月22日,一個以接近光速前進的微中子呼嘯穿過地球,撞擊了冰立方天文台的偵測器。它所擁有的能量非常驚人,高達290 TeV──這比在大型強子對撞機(Large Hadron Collider)內運行的最高能量質子射柱強近50倍。此次撞擊觸發了通報系統,通知研究微中子的天文學家盡速展開追捕。

科學家追溯這條微中子的路徑,目標指向了獵戶座附近的一小塊天區。好幾個望遠鏡也幾乎同時在此處觀測到巨大的宇宙閃焰。

藏身在北方天空的一小塊天區中,一個遙遠、巨大,被稱為「蝎虎BL型類星體」(blazar)的天體。被自己震醒,並且將高能粒子投射到太空中,其中還包括費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-Ray Space Telescope)所偵測到的一群高能伽瑪射線。

↑↑↑↑↑黑洞、蝎虎BL型類星體和有色人種女科學家。耶迪達.艾斯勒(Jedidah Isler)是第一位自耶魯大學(Yale University)獲得天文物理學博士學位的非裔美國女性,她在舞台上暢談她對黑洞的熱愛,以及她支持有色人種女性科學家的熱情。

這些伽瑪射線來自一個名為TXS 0506+056的巨大橢圓星系,在這個星系的核心有個翻騰不已的超大質量黑洞。黑洞不斷吞食附近的氣體和塵埃,因此不斷向外噴射出極高能粒子,很剛好地朝地球的方向噴來。

「蝎虎BL型類星體是宇宙中最強大的天體。」普林斯頓大學(Princeton University)的瑪利亞.佩卓布羅(Maria Petropoulou)說。在伽瑪射線波段的天空,TXS 0506+056是最明亮的蝎虎BL型類星體之一。這是非常了不起的,因為它距離我們大約有40億光年遠,這也表示TXS 0506+056是產生這些高能宇宙射線的一個重要候選者。

「這很合理──它不可能是個很微弱的蝎虎BL型類星體,」歐洲南方天文台(European Southern Observatory)的保羅.帕多瓦尼(Paolo Padovani)這麼說,「如果想要找到微中子,那它們一定是來自威力十足的野獸,否則你根本就不會看到微中子。」

在冰立方和費米同時偵測到訊號後的數天到數星期內,許多團隊開始研究這個明亮的蝎虎BL型類星體。超過十幾個團隊以無線電波、可見光、X射線和伽瑪射線……幾乎是涵蓋了所有波段的儀器,一起盯著這個天體進行觀測。根據他們的研究結果看來,伽瑪射線閃焰的確是來自於TXS 0506+056,同時也產生了冰立方在9月偵測到的微中子。

「如果費米太空望遠鏡沒有及時觀測到伽瑪射線,那對我們來說只會是又一個微中子。對他們來說,也只是另一個來自蝎虎BL型類星體的閃焰。」郝爾琛表示。

但是,這些團隊做的可不只這些。

回頭檢查

科學家馬上回頭檢查費米伽瑪射線太空望遠鏡之前對TXS 0506+056的觀測結果,他們發現這個天體在2014年底,就曾發生超過五個月的閃焰爆發現象。冰立方團隊也查看近十年來所觀測的微中子數據,發現在那幾個月裡,有十幾個高能微中子與南極冰層發生撞擊。

郝爾琛說:「我們做夢也沒想過會得到這麼棒的資料──在150天的日子裡看到了19個微中子,這實在讓人難以置信!」

目前有兩個獨立的證據顯示,TXS 0506+056正往地球拋出微中子,這表示科學家很可能發現了這些神秘粒子的其中一項來源。

還有別的可能性

勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的凱薩琳.祖瑞克(Kathryn Zurek)表示,這個發現「讓人印象非常深刻,讓我們往確定宇宙射線起源的目標又邁進了一步,這可是天文物理學上非常重要的難題。」

但是她和其他人也注意到了,事情還沒塵埃落定。

「在我看來,這些觀測結果強烈顯示之間有關聯性,但還無法下定論,」佩卓布羅說。「還有其他的可能性,像是位在同一天區的其他天體也可能造成冰立方所探測到的微中子。無論如何,這些結果都讓我們離揭開宇宙微中子的來源之謎更近一步。」

科學家也同意,我們所看到的宇宙射線不太可能全都來自蝎虎BL型類星體,所以他們仍在尋找這些高能粒子的其他來源。

「冰立方天文台所偵測到的微中子有可能來自很多種天體,」佩卓布羅說,「像是正在形成恆星的星系、相互作用的超新星、低光度伽瑪射線爆發、星團中心的電波星系,和其他各種可能性」。

撰文:NADIA DRAKE

編譯:林宇威

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