跳至主要內容
科技前沿

在南極深冰下,等一封宇宙來信—

新華社斯德哥爾摩10月6日電(記者郭爽 朱昊晨 張馨文)穿過我們的身體,甚至穿過整個地球,“宇宙中最害羞的粒子”——中微子通常不留痕跡。不過,在南極深冰下,來自遙遠宇宙的高能中微子偶爾也會因與原子核的碰撞而激起微光。這些微光由埋在冰中的探測器記錄下,我們就可能讀到“宇宙來信”。

爲接收這樣的“來信”,2026年諾貝爾物理學獎得主弗朗西斯·哈爾岑和同行,把1立方千米南極深冰變成了一座特殊“郵箱”——冰立方中微子天文臺。

這是10月6日在瑞典斯德哥爾摩拍攝的2026年諾貝爾物理學獎公布現場。新華社記者呂優攝

“悄無聲息”的獨特“信使”

每秒,約有650億個來自太陽的中微子穿過你的小指甲,它們既讓你毫無察覺,也讓科學家難以探測。

還有一些中微子或從遙遠的宇宙傳來。其中有些中微子的能量遠高於太陽中微子,數量卻稀少得多,可能帶來它們誕生之地的消息。

尋找它們,是爲了追問一個謎題:宇宙中的一些粒子,究竟在哪裏、通過什麼過程,獲得了遠超地面加速器所能賦予的能量?這些天然的粒子加速器,又是怎樣工作的?

直接追蹤這些粒子並不容易,宇宙射線中的許多粒子由於帶電,會被磁場改變方向,抵達地球時,來路已經難以辨認。中微子則提供了另一條線索,這種不帶電的“信使”不會被磁場帶偏,又極少受到物質阻攔,有機會從光難以穿透的地方帶出消息。

諾貝爾物理學委員會主席馬克·皮爾斯解釋說,這意味着,觀測宇宙不一定只能依靠光,也可以借助中微子帶來的信息。

可是,對如此“悄無聲息”的訪客,我們怎樣才能捕捉到其到訪的證據?

1988年在波蘭舉行的一次會議上,哈爾岑和同行首次提出在南極利用冰層建設中微子天文臺的構想,希望以足夠大的探測體積,捕捉極少數中微子與原子核發生相互作用後產生的信號。

不過,“這是一場不能保證成功的冒險。”哈爾岑6日在獲獎後回憶說。

深埋冰層的特殊“郵箱”

“我們的最大風險是,沒有人知道,1立方千米的探測器究竟是否足夠大,大到能夠發現來自地球大氣層之外、來自宇宙的中微子。”哈爾岑說。

中微子本身並不發光。但當它偶爾撞上冰中的原子核,就可能產生一些帶電粒子。這些粒子在冰中高速運動時,會發出微弱的光。

要捕捉這種微光,就需要在冰層中布設光傳感器。哈爾岑把這些傳感器比作“反向燈泡”:與燈泡相反,它們接收光後,會把光變成電信號。根據接收到的光量,研究人員可以估算粒子在冰中留下了多少能量;再根據光到達不同傳感器的時間差,推算中微子的來向。

怎樣把這些傳感器送進深冰?研究人員向冰川學家學習,用高壓熱水在冰層中融出深孔,再把串有光傳感器的長纜緩緩放進去。

前期實驗逐漸證明了這條路走得通,在此基礎上建設的冰立方中微子天文臺,到2011年達到完整規模:5160個光傳感器分布在86條長纜上,主要陣列位於冰面下1450米至2450米,覆蓋約1立方千米冰體。

尚待解讀的遠方“來信”

儀器建成後,還要辨認信號:宇宙射線也會在大氣層中產生中微子,要尋找來自遙遠宇宙的中微子,需要科學家對探測到的事件進行篩選,分析粒子的能量、方向等特徵,判斷數據是否超出了大氣背景所能解釋的範圍。

2013年,研究團隊報告了兩個能量極高的中微子事件,獲得了具有天體物理起源的高能中微子的首批證據。後來研究團隊識別出更多高能事件,並確認了來自地球大氣層之外的高能中微子。

不過,“寄信人”的信息還很模糊。星系NGC 1068是受到關注的候選來源之一,但有關證據尚不足以作出判定;冰立方也發現了銀河系的高能中微子信號,但尚未能鎖定具體的源頭。

盡管這些宇宙“來信”的具體出處仍待追索,中微子探測的邊界已被拓寬。人類此前已經探測到來自太陽和超新星的中微子,冰立方則把探測推廣到更高能量範圍,正如諾貝爾物理學委員會委員埃娃·奧爾松在發布會上所說,它使中微子天文學“躍升到了一個新的高度”。

諾貝爾物理學委員會委員、瑞典烏普薩拉大學教授奧勒·埃裏克松在接受新華社記者採訪時說,冰立方探測到的高能中微子帶來了遙遠宇宙事件的信息,幫助人類更深入地認識所處的世界。這不只是深奧的科學,很多時候,這類科學成就最終會產生實際應用。

透過中微子天文學這扇新窗口,我們能了解宇宙的哪些事情?哈爾岑的回答出人意料:“真正令人興奮的是,我還無法回答這個問題。”

About Us · 關於我們