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“耳聪目明”之后,人类至此又多了“第六感” | 重大发现

引言:
美国东部时间7月12号上午11时,冰立方中微子天文望远镜(IceCube Neutrino Observatory)团队在华盛顿召开了一场盛大的发布会,宣布又一天文领域的重大发现:其架设在南极的望远镜实时预警系统于世界协调时间(Coordinated Universal Time,简称UTC,是以原子时秒长为计量单位的一套时间系统,也是冰立方采用的时间计量方式)2017年9月22日20:54:30.43探测到了一个能量约为290 万亿电子伏特(290 TeV,欧洲的强子对撞机LHC只能把质子加速到13 TeV)的高能缪子中微子(muon neutrino), 并命名为IceCube-170922A 。
IceCube-170922A的发现,是继去年10月16日LIGO探测到双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号(相关阅读:引力波重磅发现第二季: “从此,人类终于耳聪目明了”)之后,多信使天文学的又一重要发现。
《知识分子》邀请到冰立方青年科学家代表徐东莲博士,介绍了这一发现的过程。用她的话讲:面对宇宙,人类不仅有了“眼睛”和“耳朵”,还有了“第六感”!
 
撰文 | 徐东莲
责编 | 吕浩然、金庄维
 
世界协调时间2017年9月22日20:54:30.43 ,冰立方的实时预警系统探测到了IceCube-170922A;43秒之后,该中微子事件的初估方向 (RA=77.4°, DEC=5.7°)即通过AMON[1]多信使望远镜网播报给全球相关的望远镜。
 
之后的几个小时到几个月内,来自全球的超过20个观测设备对该中微子来源方向进行了密集的多波段多信使跟进观测,并发现该方向上有一个正在爆发的蝎虎座BL型耀变体(BL Lac blazar,耀变天体是活动星系核AGN的一种,中心引擎是一个超大质量的黑洞,在黑洞吸积作用下形成强大的相对论喷流,喷流方向指向地球的AGN被称为耀变体)。科学家们综合考虑目前已观测到的全部耀变天体和冰立方已发送过的所有历史预警后确认,该中微子和耀变天体机会巧合的几率超过3倍的标准差(3σ,也就是99.7%可信。通俗地讲,标准差是对目标不确定性的一种度量,在高能物理领域,科学发现要求达到5的置信度。那时,我们才能够确定信号的来源)。
 
此后,我们又对存档的9.5年数据进行深入的时限(time-dependent)和非时限(Time-independent)跟进分析,在 TXS0506+056方向发现了于2014年12月有19个TeV能级的中微子爆发,但预期的大气本底只有6个,这个独立信号的置信度则达到了3.5倍标准差(3.5σ)。
 
虽然两个时段的发现都没有达到高能物理5倍标准差(5σ)的黄金标准,但两个完全独立的证据令我们有足够的信心确认:TXS0506+056耀变体确实是高能中微子的源头。
 
 
这一串编号TXS0506+056有何深意?这得从神奇的中微子和宇宙射线起源之谜说起。
 
当一个中微子“死去”时,我们能才探测到它
 
中微子是一种基本粒子,是构成宇宙万物的基本单元之一。因为它与物质只有微弱的弱相互作用和引力作用,不能被直接探测,所以只能通过研究它与物质反应后的次级粒子来反推其性质。换言之,只有当一个中微子“死去”的时候,才能被我们探测到。
 
科学家初次探测到中微子是在1956年。然而直到今天,中微子仍有许多未知性质,比如绝对质量等等。对于“中微子是神马?”这个问题,答案要拆开来看:中微子不是“马”,但确实很“神”,小小的粒子能撼动宇宙(相关阅读:撼动宇宙的小粒子)。
 
百年谜题——高能宇宙射线起源
 
宇宙射线是高度电离的带电粒子,1912年被维克托·赫斯(Victor Hess,1883 - 1964)发现。但科学家们研究了一个世纪,还是没有弄清楚宇宙射线的起源,尤其是目前所探测到的超高能(1020 eV)宇宙射线,它比世界上最大的粒子加速器的能量(1012 - 1013eV)还高7-8个能级! 
 
科学家们认为,高能宇宙射线的主要能量是来自于天体磁场冲击波的加速,PeV (1015 eV) 级以上的高能宇宙射线则来自银河系以外强烈的天体环境,包括活动星系核、超新星爆发等。
 
这样强烈的加速环境中,超高能的强子过程(hadronic process)会产生高能中微子,而中微子也正是一个验证强子过程最理想的信使,因为只有强子过程才会产生如此高能的中微子!
 
然而,上述过程所产生的TeV - PeV能段的高能天体中微子的预期流量是非常低的,加上中微子和物质之间微弱的弱相互作用(1 TeV的中微子穿越整个地球仅发生约一次反应),要达到观测高能中微子灵敏度的探测器至少要在1立方公里、十亿吨的量级。
 
这样的探测器去哪找呢?
 
 
在南极“俯视”星空 
 
答案是坐落在南极地理极点上的冰立方中微子天文望远镜。它于2010年建成,是目前世界上最大的中微子探测器。
 
冰立方是由5000多个光敏元件组成的阵列,埋在1450米和2450米深的南极冰川里。通过观测中微子反应产生的次级带电粒子在冰川中飞行所发射的契伦科夫辐射(Cherenkov radiation,指的是物体在介质中以超越光在该介质中的传播速度运动时所发出的一种电磁辐射),可以来研究中微子。
 
那么,作为天文望远镜的冰立方又为何埋在地下?
 
原来,受海量大气缪子干扰的影响,冰立方很难分辨头顶上飞落下来的中微子;然而,中微子却能轻易穿越地球,带电的缪子却很快被地球吸收,所以我们把整个地球作为一个大气缪子的过滤器,这样冰立方就能看到来自北半球高纯度的中微子,实现从南极“俯视”北半球的星空。
 
中微子有三种“味”(flavor),与冰原子核反应的时候会在冰立方元件阵列中留下不一样的踪迹。其中,最普遍的是级联(cascade)事件和径迹(track)事件。而后者大多是由缪子中微子所产生,次级的缪子会以近光速扫过整个探测器整列,留下细长的轨迹,因此可以精准地重建中微子来源的方向,是最理想的天文信者。
 
 
“联合作战”——多信使发回的“战报”
 
一个剧烈活动的天体源,必然同时有多种物理过程发生。不同波段、不同信者的望远镜同时观测,则可以形成多角度的全息图像。基于这个想法,冰立方建立了实时预警系统,在探测到有意思的高能中微子时,在不到一分钟内,即向全世界的望远镜发出“预警”。
 
那么,就在此次实时预警系统响起之后,全球各处的信者又是如何“联合作战”的呢?发回的“战报”结果又如何呢?
 
就在9月22日初始预警发出的4个小时后,我们完成了对IceCube-170922A更精细的方向重建(跟初始预警方向相差0.14度),并将新方向发送给伽马暴协作网GCN[2]。
 
· 伽马信者
 
伽马信者首先加入“战线”!中微子和伽马光子是强子过程的“双生花”,若能同时探测到这两个信者,则中微子和天体源关联的证据会大大增强。
 
HESS,VERITAS和MAGIC这几个非常高能的(Very-High-Energy, VHE)地面契伦科夫伽马望远镜在收到预警后数小时内即对中微子方向进行了观测,但却没有探测到VHE伽马光子。 
 
9月28日,费米伽马卫星(Fermi-LAT)在全天巡查时首先发现在IceCube-170922A方向上有一个正在爆发的伽马源(对冰立方预警事件方向作跟进观测是费米卫星常规多波段/多信者项目的重要内容)。这个爆发源正是已知的蝎虎BL型耀变天体TXS0506+056,跟中微子最佳方向仅相差0.1度。
 
费米的全天变化性分析(Fermi All-sky Variability Analysis, FAVA)数据显示:TXS0506+056从2017年4月开始在GeV能段出现增强辐射;AGILE伽马卫星也在2017年9月10-23日探测到TXS0506+056的增强辐射,与费米在这个时期探测到的增强流强相当。
 
受费米的驱动,MAGIC于9月28日起又对中微子方向作了13个小时的跟进观测,终于探测到了(6.2σ)在80-400 GeV的高能伽马辐射!作了光子与源头物质反应损失能量的修正后,能谱指数(天体源产生的粒子能量分布普遍可以用一个幂律关系Eγ来描述, 可变的γ即是谱指数)接近-2,与探测到的中微子能谱指数相近,经过计算修正之后确认二者有可能产生于同一机制:高能宇宙射线的强子过程。
 
另外,更高能的HAWC伽玛射线天文台亦作了跟进观测,但没有找到任何高于1 TeV的伽马光子。
 
· 射电信者
 
OVRO和VLA 射电天文望远镜分别探测到TXS0506+056的射电流强逐渐增加并产生频变,符合耀变体辐射特征。
 
· 光学信者
 
ASAS-SN, Liverpool, Kanata/HONIR, Kiso/KWFC, Subaru/FOCAS 等光学望远镜皆作了跟进观测,并发现TXS0506+056在可见光波段有增强辐射和极化效应。
 
TXS0506+056 与地球的距离一开始并不知道,因为耀变体连续的强烈辐射掩盖了光谱线而难以精确测量红移。Liverpool, Subaru和VLT等光学望远镜在IceCube-170922A发现不久后作了尝试,但都没有成功。直到2018年2月,红移才被GTC光学望远镜精确探测到(红移 z = 0.34), 距离地球约40亿光年,事件发生时,地球尚未形成生命。
 
· X射线信者
 
Siwft(0.3 keV - 10 keV), MAXI-GSC(2 keV - 10 keV), NuSTAR(3 keV - 79 keV)和INTEGRAL(20 keV - 250 keV)等X射线空间望远镜都对IceCube-170922A进行了跟进观测。只有Swift和NuSTAR探测到了相应信号,且符合耀变体的特征。
 
· 冰立方历史数据分析
 
在费米卫星确认IceCube-170922A与TXS0506+056耀变体方向重叠时,合作组里即刻炸开了锅!大家都开始头脑风暴,要怎么样才能找到更多相关联的中微子。
 
彼时,合作组里已经有很成熟的瞬变源快速跟进分析软件(本人亦参与开发),很自然地,我们立即作了一个相对中微子时间正负7天的快速分析,但没有找到更多中微子。
 
然后大家说,我们要往更早远的时间去找,把这个方向上所有的历史数据都作分析:果然,时限分析在2014年12月前后共110天的时间窗口找到了19个中微子,但预期的大气本底只有6个,显著性3.5σ;非时限的分析则只有2.1σ,因为主要的信号来源也是2014年12月的中微子,却要累积更多的本底。
 
而两个独立的分析都得到中微子能谱指数接近-2,与伽马信者提供的能谱指数一致。这也是TXS0506+056耀变体发射高能中微子的又一独立证据!
 
 
“耳聪目明”后的“第六感”
 
多信使天文时代的到来让我们以更多的“感官”去了解我们所在的宇宙,尽管如此,保守来说,百多年前开启的宇宙射线起源问题即使在今天仍未有一个确切的答案。
 
但TXS0506+056高能中微子的发现表明,有一些耀变体的黑洞可以将宇宙射线加速到PeV能级。部分宇宙射线的加速模型甚至允许TXS0506+056这样的耀变体加速宇宙射线到几十EeV(1019eV),但要验证后者,还需要更多的证据。 冰立方正在计划升级,把探测器灵敏度再提升起码10倍,届时将会更快地探测到更多的中微子,以及更微弱的中微子源。
 
曾经紧闭的大门,如今终于裂开了一条小缝,门后的世界会精彩无比。如果说引力波的发现使人类获得了聆听宇宙的“耳朵”,使人类“耳聪目明”。那么,鬼魅一般的天体中微子则让人类多了探索宇宙的“第六感”,再结合传统多波段电磁观测这双强大的“眼睛”,幸运的新世纪人类将会感知一个全新的星空。
 
针对此次冰立方的发现,《知识分子》联系到了国家天文台苟利军研究员进行点评:
 
1912年,奥匈帝国的物理学家Victor Hess通过乘坐的热气球发现了来自于宇宙深处的高能射线,能量巨大,远非太阳辐射所致,所以非常好奇它们的产生来源。尽管在接下来的一段很长一段时间之内无人知晓其来源,但作为一项极为重要的发现,Hess本人还是获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
寻找宇宙射线的产生来源一直以来是个悬而未决的谜团。此次,位于南极的冰立方中微子天文台望远镜,联合其他空间地面望远镜,使用多信使的方式,确认了高能中微子的产生源头,产生于一个喷流正好指向我们的类星体,100多年前Hess留给我们的疑问得到首次回答。
2017年,中子星合并被探测到,引力波和各种类型的望远镜联合进行观测,给我们展示了多信使天文学的强大威力,而这次,多信使研究的威力再次展现,期待着以后更多不同结合,发现更多的宇宙现象,解决更多的宇宙谜团。
 
细心的读者可能已经发现,与上次双中子星合并引力波事件不同,此次的“联合作战”,我国的硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”(HXMT)并没有参与其中。
为此,《知识分子》联系到了中科院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、HXMT卫星首席科学家张双南进行解释:
 
在慧眼的观测能区这个天体的流强太弱了,慧眼不但不可能看到,而且即使花了很多时间观测也只能提供一个流强上限,这个上限比目前这篇文章上同样能区的所测流量或者上限会高很多,所以没有任何科学价值,就是浪费望远镜的观测时间。
目前看来当时我决定没有做观测是正确的。相比之下,当时慧眼正在发挥它的特色,观测别的天体,观测结果很有意义,近期将会发表。慧眼的特色也并不是做这一类观测。
我经常收到很多观测请求,大部分都没有发挥慧眼的特色,观测之后不会产生新的科学结果,所以没有批准。这一次也是如此。上一次的双中子星并合引力波事件,慧眼也没有观测到信号,但是利用了慧眼的特色,所以即使是流量上限也有很好的科学价值,和这一次完全不同。
天上的天文望远镜不少,即使和慧眼同样能区的(望远镜)也不少,所以充分发挥慧眼卫星的特色,做最适合慧眼卫星的观测是一个不小的挑战。
此外,我们正在研制的eXTP望远镜对这一类的天体不但非常灵敏,而且具有全新的观测能力(高灵敏度X射线偏振),一旦用上简直就是“秒杀”。
 
* 编者注:感谢季向东教授对本文的帮助与指导,特此鸣谢!
 
· 注释:
1. AMON: The Astrophysical Multi-messenger Observatory Network
2. GCN: Gamma-ray Coordinates Network
 
· 参考资料:
1. IceCube Collaboration, et al. “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A.” Science 361, eaat1378 (2018) DOI: 10.1126/science.aat1378
2. IceCube Collaboration. “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert.” Science 361, Issue 6398, pp. 147-151DOI: 10.1126/science.aat2890
3. MAGIC collaboration, Max Ludwig Ahnen et al. “The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration.” ApJL, 2018 (Submitted 2018/07/11), arXiv:1807.04300v1
4. S. Paiano, R. Falomo, A. Treves, R. Scarpa, “The Redshift of the BL Lac Object TXS 0506+056.” Astrophys. J. 854, L32 (2018).
5. https://icecube.wisc.edu



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