“耳聰目明”之后，人類至此又多了“第六感” | 重大發(fā)現(xiàn)
?在南極“俯視”中微子的冰立方中微子天文望遠(yuǎn)鏡，圖片來源于作者。
引言：
美國東部時間7月12號上午11時，冰立方中微子天文望遠(yuǎn)鏡（IceCube Neutrino Observatory）團(tuán)隊在華盛頓召開了一場盛大的發(fā)布會，宣布又一天文領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)：其架設(shè)在南極的望遠(yuǎn)鏡實時預(yù)警系統(tǒng)于世界協(xié)調(diào)時間（Coordinated Universal Time，簡稱UTC，是以原子時秒長為計量單位的一套時間系統(tǒng)，也是冰立方采用的時間計量方式）2017年9月22日20:54:30.43探測到了一個能量約為290 萬億電子伏特（290 TeV，歐洲的強(qiáng)子對撞機(jī)LHC只能把質(zhì)子加速到13 TeV）的高能繆子中微子（muon neutrino）, 并命名為IceCube-170922A 。
IceCube-170922A的發(fā)現(xiàn)，是繼去年10月16日LIGO探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號（相關(guān)閱讀：引力波重磅發(fā)現(xiàn)第二季： “從此，人類終于耳聰目明了”）之后，多信使天文學(xué)的又一重要發(fā)現(xiàn)。
《知識分子》邀請到冰立方青年科學(xué)家代表徐東蓮博士，介紹了這一發(fā)現(xiàn)的過程。用她的話講：面對宇宙，人類不僅有了“眼睛”和“耳朵”，還有了“第六感”！（PS：文末還有“小彩蛋”）。
撰文 | 徐東蓮
責(zé)編 | 呂浩然、金莊維
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世界協(xié)調(diào)時間2017年9月22日20:54:30.43 ，冰立方的實時預(yù)警系統(tǒng)探測到了IceCube-170922A；43秒之后，該中微子事件的初估方向 （RA=77.4°, DEC=5.7°）即通過AMON[1]多信使望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)播報給全球相關(guān)的望遠(yuǎn)鏡。
之后的幾個小時到幾個月內(nèi)，來自全球的超過20個觀測設(shè)備對該中微子來源方向進(jìn)行了密集的多波段多信使跟進(jìn)觀測，并發(fā)現(xiàn)該方向上有一個正在爆發(fā)的蝎虎座BL型耀變體（BL Lac blazar，耀變天體是活動星系核AGN的一種，中心引擎是一個超大質(zhì)量的黑洞，在黑洞吸積作用下形成強(qiáng)大的相對論噴流，噴流方向指向地球的AGN被稱為耀變體）?？茖W(xué)家們綜合考慮目前已觀測到的全部耀變天體和冰立方已發(fā)送過的所有歷史預(yù)警后確認(rèn)，該中微子和耀變天體機(jī)會巧合的幾率超過3倍的標(biāo)準(zhǔn)差（3σ，也就是99.7%可信。通俗地講，標(biāo)準(zhǔn)差是對目標(biāo)不確定性的一種度量，在高能物理領(lǐng)域，科學(xué)發(fā)現(xiàn)要求達(dá)到5的置信度。那時，我們才能夠確定信號的來源）。
此后，我們又對存檔的9.5年數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的時限（time-dependent）和非時限（Time-independent）跟進(jìn)分析，在 TXS0506+056方向發(fā)現(xiàn)了于2014年12月有19個TeV能級的中微子爆發(fā)，但預(yù)期的大氣本底只有6個，這個獨立信號的置信度則達(dá)到了3.5倍標(biāo)準(zhǔn)差（3.5σ）。
雖然兩個時段的發(fā)現(xiàn)都沒有達(dá)到高能物理5倍標(biāo)準(zhǔn)差（5σ）的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但兩個完全獨立的證據(jù)令我們有足夠的信心確認(rèn)：TXS0506+056耀變體確實是高能中微子的源頭。
?圖1：冰立方探測到的290 TeV的繆子中微子事件。該中微子從北半球穿越地球到達(dá)南極冰立方探測器底部并與冰分子的某個原子核發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的繆輕子以超（冰中）光速的速度穿越探測器陣列而產(chǎn)生契倫科夫輻射，從而被冰立方的光敏元件探測到。Credit: IceCube Collaboration/NSF
這一串編號TXS0506+056有何深意？這得從神奇的中微子和宇宙射線起源之謎說起。
當(dāng)一個中微子“死去”時，我們能才探測到它
中微子是一種基本粒子，是構(gòu)成宇宙萬物的基本單元之一。因為它與物質(zhì)只有微弱的弱相互作用和引力作用，不能被直接探測，所以只能通過研究它與物質(zhì)反應(yīng)后的次級粒子來反推其性質(zhì)。換言之，只有當(dāng)一個中微子“死去”的時候，才能被我們探測到。
科學(xué)家初次探測到中微子是在1956年。然而直到今天，中微子仍有許多未知性質(zhì)，比如絕對質(zhì)量等等。對于“中微子是神馬？”這個問題，答案要拆開來看：中微子不是“馬”，但確實很“神”，小小的粒子能撼動宇宙（相關(guān)閱讀：撼動宇宙的小粒子）。
百年謎題——高能宇宙射線起源
宇宙射線是高度電離的帶電粒子，1912年被維克托·赫斯（Victor Hess，1883 - 1964）發(fā)現(xiàn)。但科學(xué)家們研究了一個世紀(jì)，還是沒有弄清楚宇宙射線的起源，尤其是目前所探測到的超高能（1020 eV）宇宙射線，它比世界上最大的粒子加速器的能量（1012 - 1013eV）還高7-8個能級!
科學(xué)家們認(rèn)為，高能宇宙射線的主要能量是來自于天體磁場沖擊波的加速，PeV （1015 eV） 級以上的高能宇宙射線則來自銀河系以外強(qiáng)烈的天體環(huán)境，包括活動星系核、超新星爆發(fā)等。
這樣強(qiáng)烈的加速環(huán)境中，超高能的強(qiáng)子過程（hadronic process）會產(chǎn)生高能中微子，而中微子也正是一個驗證強(qiáng)子過程最理想的信使，因為只有強(qiáng)子過程才會產(chǎn)生如此高能的中微子！
然而，上述過程所產(chǎn)生的TeV - PeV能段的高能天體中微子的預(yù)期流量是非常低的，加上中微子和物質(zhì)之間微弱的弱相互作用（1 TeV的中微子穿越整個地球僅發(fā)生約一次反應(yīng)），要達(dá)到觀測高能中微子靈敏度的探測器至少要在1立方公里、十億噸的量級。
這樣的探測器去哪找呢？
?圖2：正在發(fā)射中微子和伽馬光子的耀變體（blazar）。Credit: IceCube/NASA
在南極“俯視”星空
答案是坐落在南極地理極點上的冰立方中微子天文望遠(yuǎn)鏡。它于2010年建成，是目前世界上最大的中微子探測器。
冰立方是由5000多個光敏元件組成的陣列，埋在1450米和2450米深的南極冰川里。通過觀測中微子反應(yīng)產(chǎn)生的次級帶電粒子在冰川中飛行所發(fā)射的契倫科夫輻射（Cherenkov radiation，指的是物體在介質(zhì)中以超越光在該介質(zhì)中的傳播速度運(yùn)動時所發(fā)出的一種電磁輻射），可以來研究中微子。
那么，作為天文望遠(yuǎn)鏡的冰立方又為何埋在地下？
原來，受海量大氣繆子干擾的影響，冰立方很難分辨頭頂上飛落下來的中微子；然而，中微子卻能輕易穿越地球，帶電的繆子卻很快被地球吸收，所以我們把整個地球作為一個大氣繆子的過濾器，這樣冰立方就能看到來自北半球高純度的中微子，實現(xiàn)從南極“俯視”北半球的星空。
中微子有三種“味”（flavor），與冰原子核反應(yīng)的時候會在冰立方元件陣列中留下不一樣的蹤跡。其中，最普遍的是級聯(lián)（cascade）事件和徑跡（track）事件。而后者大多是由繆子中微子所產(chǎn)生，次級的繆子會以近光速掃過整個探測器整列，留下細(xì)長的軌跡，因此可以精準(zhǔn)地重建中微子來源的方向，是最理想的天文信者。
?圖3： 冰立方實驗室。光敏元件深埋在實驗室下方，藍(lán)光代表冰立方探測到的是中微子反應(yīng)所產(chǎn)生次級粒子在冰川里傳播產(chǎn)生的契倫科夫輻射。Credit: IceCube/NSF
“聯(lián)合作戰(zhàn)”——多信使發(fā)回的“戰(zhàn)報”
一個劇烈活動的天體源，必然同時有多種物理過程發(fā)生。不同波段、不同信者的望遠(yuǎn)鏡同時觀測，則可以形成多角度的全息圖像。基于這個想法，冰立方建立了實時預(yù)警系統(tǒng)，在探測到有意思的高能中微子時，在不到一分鐘內(nèi)，即向全世界的望遠(yuǎn)鏡發(fā)出“預(yù)警”。
那么，就在此次實時預(yù)警系統(tǒng)響起之后，全球各處的信者又是如何“聯(lián)合作戰(zhàn)”的呢？發(fā)回的“戰(zhàn)報”結(jié)果又如何呢？
就在9月22日初始預(yù)警發(fā)出的4個小時后，我們完成了對IceCube-170922A更精細(xì)的方向重建（跟初始預(yù)警方向相差0.14度），并將新方向發(fā)送給伽馬暴協(xié)作網(wǎng)GCN[2]。
· 伽馬信者
伽馬信者首先加入“戰(zhàn)線”！中微子和伽馬光子是強(qiáng)子過程的“雙生花”，若能同時探測到這兩個信者，則中微子和天體源關(guān)聯(lián)的證據(jù)會大大增強(qiáng)。
HESS，VERITAS和MAGIC這幾個非常高能的（Very-High-Energy, VHE）地面契倫科夫伽馬望遠(yuǎn)鏡在收到預(yù)警后數(shù)小時內(nèi)即對中微子方向進(jìn)行了觀測，但卻沒有探測到VHE伽馬光子。
?圖4： 伽馬望遠(yuǎn)鏡所探測到的輻射源方向與IceCube-170922A的來源方向疊加，上圖是費米空間伽馬望遠(yuǎn)鏡，下圖是MAGIC伽馬望遠(yuǎn)鏡。圖片來源: Science 361, eaat1378 (2018)。
9月28日，費米伽馬衛(wèi)星（Fermi-LAT）在全天巡查時首先發(fā)現(xiàn)在IceCube-170922A方向上有一個正在爆發(fā)的伽馬源（對冰立方預(yù)警事件方向作跟進(jìn)觀測是費米衛(wèi)星常規(guī)多波段/多信者項目的重要內(nèi)容）。這個爆發(fā)源正是已知的蝎虎BL型耀變天體TXS0506+056，跟中微子最佳方向僅相差0.1度。
費米的全天變化性分析（Fermi All-sky Variability Analysis, FAVA）數(shù)據(jù)顯示：TXS0506+056從2017年4月開始在GeV能段出現(xiàn)增強(qiáng)輻射；AGILE伽馬衛(wèi)星也在2017年9月10-23日探測到TXS0506+056的增強(qiáng)輻射，與費米在這個時期探測到的增強(qiáng)流強(qiáng)相當(dāng)。
受費米的驅(qū)動，MAGIC于9月28日起又對中微子方向作了13個小時的跟進(jìn)觀測，終于探測到了（6.2σ）在80-400 GeV的高能伽馬輻射！作了光子與源頭物質(zhì)反應(yīng)損失能量的修正后，能譜指數(shù)（天體源產(chǎn)生的粒子能量分布普遍可以用一個冪律關(guān)系Eγ來描述, 可變的γ即是譜指數(shù)）接近-2，與探測到的中微子能譜指數(shù)相近，經(jīng)過計算修正之后確認(rèn)二者有可能產(chǎn)生于同一機(jī)制：高能宇宙射線的強(qiáng)子過程。
另外，更高能的HAWC伽瑪射線天文臺亦作了跟進(jìn)觀測，但沒有找到任何高于1 TeV的伽馬光子。
· 射電信者
OVRO和VLA 射電天文望遠(yuǎn)鏡分別探測到TXS0506+056的射電流強(qiáng)逐漸增加并產(chǎn)生頻變，符合耀變體輻射特征。
· 光學(xué)信者
ASAS-SN, Liverpool, Kanata/HONIR, Kiso/KWFC, Subaru/FOCAS 等光學(xué)望遠(yuǎn)鏡皆作了跟進(jìn)觀測，并發(fā)現(xiàn)TXS0506+056在可見光波段有增強(qiáng)輻射和極化效應(yīng)。
TXS0506+056 與地球的距離一開始并不知道，因為耀變體連續(xù)的強(qiáng)烈輻射掩蓋了光譜線而難以精確測量紅移。Liverpool, Subaru和VLT等光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在IceCube-170922A發(fā)現(xiàn)不久后作了嘗試，但都沒有成功。直到2018年2月，紅移才被GTC光學(xué)望遠(yuǎn)鏡精確探測到（紅移 z = 0.34）, 距離地球約40億光年，事件發(fā)生時，地球尚未形成生命。
· X射線信者
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射線空間望遠(yuǎn)鏡都對IceCube-170922A進(jìn)行了跟進(jìn)觀測。只有Swift和NuSTAR探測到了相應(yīng)信號，且符合耀變體的特征。
· 冰立方歷史數(shù)據(jù)分析
在費米衛(wèi)星確認(rèn)IceCube-170922A與TXS0506+056耀變體方向重疊時，合作組里即刻炸開了鍋！大家都開始頭腦風(fēng)暴，要怎么樣才能找到更多相關(guān)聯(lián)的中微子。
彼時，合作組里已經(jīng)有很成熟的瞬變源快速跟進(jìn)分析軟件（本人亦參與開發(fā)），很自然地，我們立即作了一個相對中微子時間正負(fù)7天的快速分析，但沒有找到更多中微子。
然后大家說，我們要往更早遠(yuǎn)的時間去找，把這個方向上所有的歷史數(shù)據(jù)都作分析：果然，時限分析在2014年12月前后共110天的時間窗口找到了19個中微子，但預(yù)期的大氣本底只有6個，顯著性3.5σ；非時限的分析則只有2.1σ，因為主要的信號來源也是2014年12月的中微子，卻要累積更多的本底。
而兩個獨立的分析都得到中微子能譜指數(shù)接近-2，與伽馬信者提供的能譜指數(shù)一致。這也是TXS0506+056耀變體發(fā)射高能中微子的又一獨立證據(jù)！
?圖5：IC170922A方向上的歷史數(shù)據(jù)分析，在2014年12月前后共110天的窗口找到更多的中微子集聚 。圖片來源：Science 361, 147-151 (2018)
“耳聰目明”后的“第六感”
多信使天文時代的到來讓我們以更多的“感官”去了解我們所在的宇宙，盡管如此，保守來說，百多年前開啟的宇宙射線起源問題即使在今天仍未有一個確切的答案。
但TXS0506+056高能中微子的發(fā)現(xiàn)表明，有一些耀變體的黑洞可以將宇宙射線加速到PeV能級。部分宇宙射線的加速模型甚至允許TXS0506+056這樣的耀變體加速宇宙射線到幾十EeV（1019eV），但要驗證后者，還需要更多的證據(jù)。 冰立方正在計劃升級，把探測器靈敏度再提升起碼10倍，屆時將會更快地探測到更多的中微子，以及更微弱的中微子源。
曾經(jīng)緊閉的大門，如今終于裂開了一條小縫，門后的世界會精彩無比。如果說引力波的發(fā)現(xiàn)使人類獲得了聆聽宇宙的“耳朵”，使人類“耳聰目明”。那么，鬼魅一般的天體中微子則讓人類多了探索宇宙的“第六感”，再結(jié)合傳統(tǒng)多波段電磁觀測這雙強(qiáng)大的“眼睛”，幸運(yùn)的新世紀(jì)人類將會感知一個全新的星空。
作者簡介
徐東蓮，粒子天體物理博士。2008年本科畢業(yè)于中國科技大學(xué)，2015在美國阿拉巴馬大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在冰立方總部威斯康星-麥迪遜大學(xué)從事博士后研究。2012年獲美國南極洲服務(wù)獎?wù)?/span>（Antarctica Service Medal of the United States of America），2017年初當(dāng)選為冰立方青年科學(xué)家代表（Early Career Scientist Representative），研究方向為高能天體中微子和中微子天文?，F(xiàn)已入選李政道研究所青年學(xué)者。
針對此次冰立方的發(fā)現(xiàn)，《知識分子》聯(lián)系到了國家天文臺茍利軍研究員進(jìn)行點評：
1912年，奧匈帝國的物理學(xué)家Victor Hess通過乘坐的熱氣球發(fā)現(xiàn)了來自于宇宙深處的高能射線，能量巨大，遠(yuǎn)非太陽輻射所致，所以非常好奇它們的產(chǎn)生來源。盡管在接下來的一段很長一段時間之內(nèi)無人知曉其來源，但作為一項極為重要的發(fā)現(xiàn)，Hess本人還是獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎。
尋找宇宙射線的產(chǎn)生來源一直以來是個懸而未決的謎團(tuán)。此次，位于南極的冰立方中微子天文臺望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)合其他空間地面望遠(yuǎn)鏡，使用多信使的方式，確認(rèn)了高能中微子的產(chǎn)生源頭，產(chǎn)生于一個噴流正好指向我們的類星體，100多年前Hess留給我們的疑問得到首次回答。
2017年，中子星合并被探測到，引力波和各種類型的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合進(jìn)行觀測，給我們展示了多信使天文學(xué)的強(qiáng)大威力，而這次，多信使研究的威力再次展現(xiàn)，期待著以后更多不同結(jié)合，發(fā)現(xiàn)更多的宇宙現(xiàn)象，解決更多的宇宙謎團(tuán)。
細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與上次雙中子星合并引力波事件不同，此次的“聯(lián)合作戰(zhàn)”，我國的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”（HXMT）并沒有參與其中。
為此，《知識分子》聯(lián)系到了中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、HXMT衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南進(jìn)行解釋：
在慧眼的觀測能區(qū)這個天體的流強(qiáng)太弱了，慧眼不但不可能看到，而且即使花了很多時間觀測也只能提供一個流強(qiáng)上限，這個上限比目前這篇文章上同樣能區(qū)的所測流量或者上限會高很多，所以沒有任何科學(xué)價值，就是浪費望遠(yuǎn)鏡的觀測時間。
目前看來當(dāng)時我決定沒有做觀測是正確的。相比之下，當(dāng)時慧眼正在發(fā)揮它的特色，觀測別的天體，觀測結(jié)果很有意義，近期將會發(fā)表?；垩鄣奶厣膊⒉皇亲鲞@一類觀測。
我經(jīng)常收到很多觀測請求，大部分都沒有發(fā)揮慧眼的特色，觀測之后不會產(chǎn)生新的科學(xué)結(jié)果，所以沒有批準(zhǔn)。這一次也是如此。上一次的雙中子星并合引力波事件，慧眼也沒有觀測到信號，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學(xué)價值，和這一次完全不同。
天上的天文望遠(yuǎn)鏡不少，即使和慧眼同樣能區(qū)的（望遠(yuǎn)鏡）也不少，所以充分發(fā)揮慧眼衛(wèi)星的特色，做最適合慧眼衛(wèi)星的觀測是一個不小的挑戰(zhàn)。
此外，我們正在研制的eXTP望遠(yuǎn)鏡對這一類的天體不但非常靈敏，而且具有全新的觀測能力（高靈敏度X射線偏振），一旦用上簡直就是“秒殺”。
* 編者注：感謝季向東教授對本文的幫助與指導(dǎo)，特此鳴謝！
· 注釋：
1. AMON: The Astrophysical Multi-messenger Observatory Network
2. GCN: Gamma-ray Coordinates Network
· 參考資料:
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
制版編輯 |楊梟
