银河系奇妙画像:中微子银河天图 | 《自然》长文

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原文作者：Davide Castelvecchi

一座藏于南极地下的巨大望远镜捕捉到来自银河系中心的高能中微子，开启了宇宙观测的新时代。



这幅艺术概念图展现了中微子视图下的银河系平面（蓝色）。图片来源：冰立方团队/(Yuya Makino)/NSF

今年六月，研究人员发布了可能是有史以来不同寻常的银河系画像。天文学家首次利用光线之外的媒介绘制了我们的星系——这一成果预示着有了一种新的方法，研究繁忙的银河系中心的动向。

这些数据来自南极点的冰立方（IceCube）观测站，它监测中微子——宇宙中更轻、更广布的基本粒子。该观测站有5160个传感器组成阵列，埋藏在冰层下超过1.5公里的深处。过去十年，这个探测阵列逐个探测中微子，并测算它们从哪里来，研究人员由此定位到它们在银河系中心的起源。

研究人员表示，我们银河系的这一首份中微子天图，是中微子天文学这一新兴领域的里程碑。而且这只是个开始。从地中海到西伯利亚，多个中微子探测阵列正在建设当中。

无数亚原子过程会产生中微子：从太阳核心的核聚变和地球岩石的放射性衰变，到星际粒子与大气层的高能碰撞。在过去十年中，冰立方中微子观测站深入探索了太空，展现了史无前例的高能中微子，并将它们的来源定位在了遥远的宇宙深处。

其实，对天文学家来说，来自宇宙深处的中微子，比来自银河系的中微子更容易观察。“我们现在已有的银河系外源的信息比银河系内源的要多。”冰立方发言人、威斯康辛大学麦迪逊分校的物理学家Francis Halzen说。“这很奇妙。”

冰立方和其它观测站正在以中微子为工具，探索原本不可及之处——例如环绕在星系中心的超大质量黑洞周围的密集的物质漩涡，这里极高的能量可能会揭示新的物理现象。这种方法最终可能有助于揭示宇宙射线（近光速运动的质子或更重的原子核）的来源。

高能焦点

冰立方于2010年建成，旨在捕捉来自深空的中微子。它的目标是研究可能产生高能中微子的各种宇宙现象——其能量比在恒星核聚变过程中产生的、或由放射性衰变产生的中微子的能量高出数千倍。

Halzen表示，使用高能中微子描绘银河系天图一直是首要任务，部分原因是这可以解开一个存在已久的谜团。星际空间充满了高能宇宙射线，而研究人员不知道它们从何而来。但有一点是明确的：当它们与其它物质碰撞时，这些粒子必然会产生大量高能中微子——冰立方观测站的观测对象——每个都具有500吉电子伏特（GeV）或更高的能量。



位于南极的冰立方中微子观测站。图片来源：Sven Lidstrom，冰立方/美国国家科学基金会

这一构想可与已有的天图结合，现有天图显示，银河系的大部分区域都发出弥散伽马射线辐射（宇宙射线的另一种预料中的副产品）。因此，冰立方研究人员预期可以从同一天区观测到强烈的中微子辐射。“我们知道这些中微子一定产生于银河系之内，”瑞士日内瓦大学的冰立方物理学家Teresa Montaruli说。

然而，追溯中微子到银河系中心面临着多重挑战。Halzen解释说，首先，观测站探测到的绝大部分中微子都产生于大气层内，大约每5分钟就会产生一次——这远远超过预期来自深空的速率。这意味着研究人员必须收集多年的数据，才能开始找到一个有效信号。

第二个挑战是地理位置。冰立方能获取到的更干净的中微子探测数据来自于地下。这是因为中微子是已知的唯一能够不受阻碍穿过整个地球的粒子，可以穿过地球从地下到达南极。这意味着来自地平线下方的信号更容易与从上方撞击探测器的粒子的混乱信号区分开来，后者主要来自电子的巨大表亲——缪子（μ子）。然而，要观测银河系，冰立方却无法利用地球自身作为屏障。因为银河系的大部分质量集中在南天的人马座附近的一条带状区域，永远悬于南极点的上方。

因此，研究团队需要进行大量的数据分类工作，以寻找来自银河的高能中微子。研究人员分析了2011年5月至2021年5月之间的59592次探测，能量范围在500吉电子伏特到数皮塔（1皮塔=106吉）电子伏特之间。他们估计其中只有7%是来自深空的中微子。然后他们利用机器学习技术表明，尽管大部分事件的源点分布在整个天空中，但有一小部分集中在银河系内具有高伽马射线辐射的区域，这表明其中一些中微子必定是来自于银河系（见“不同观测通路下的银心”）。该团队在2021年6月30日的《科学》上报告了这些结果。



来源：参考文献1；冰立方/ IceCube/NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration/Axel Mellinger, CMU

该研究没有发现任何集中在一处的源点，这表明这些中微子是在星际空间中产生的。但Halzen希望进一步的数据——即将进行升级的观测站能够探测更低能量的中微子——将揭示一些点源。找到银河系中的点源便可能开始去解决宇宙射线的起源问题，甚至可能会发现与宇宙射线无关的未知“中微子工厂”。

星际信使

研究人员对将中微子用作发现工具寄予厚望，因为磁场往往会扰乱带电粒子的运动，但中微子等电中性粒子则不会受银河系磁场影响而改道。“与宇宙射线不同，中微子直线传播，因此它们是揭示宇宙射线加速点的绝佳信使。”阿根廷巴尔塞罗研究所（Balseiro Institute）的天体物理学家Silvia Mollerach说。

目前，寻找宇宙射线的点源的尝试一直没有成功。冰立方本身似乎已经排除了天体物理学家曾经认为有希望的现象之一：伽马射线暴（γ-ray bursts），即极高能的超新星爆发。多年来，该观测站未能将任何中微子与这些事件联系起来。现阶段，伽马射线暴能产生多少高能中微子的严格限制，来自于迄今为止堪称强大的爆发，观测于2022年。

虽然这些爆发和其它恒星爆炸在短时间内释放了巨大的能量，但它们可能还无法将单个质子加速到能够产生宇宙射线和中微子的近光速，Halzen表示。

然而，超新星的长久余波则可能不同。数百年中，来自此类爆发的冲击波扩散开来，可能会如弹球机一般，加速质子达到更高能量。“每次质子穿越冲击波，都会获得一点能量，”Montaruli说。

冰立方在寻找银河系之外的点源上获得了更多成功，尤其是在寻找活动星系核（AGN）——大量吞噬周边物质并释放出明亮辐射的超大质量黑洞上。

2018年，该研究组将一颗极高能的中微子与一个耀变体爆发事件（活动星系核在短时间内爆发喷流而突然增亮）联系起来[2]。去年，该团队宣布已经获得约80个来自“乌贼星系”（亦称NGC 1068）的活动星系核的中微子[3]。

然而，出人意料的是，乌贼星系中心在伽马射线上并不明亮。“NGC 1068似乎是一个中微子源，但在同一相互作用中应该产生的光子却没有传过来。”德国慕尼黑工业大学的天体粒子物理学家Elisa Resconi说。这意味着必定有厚重的尘埃包围着它中心的黑洞，阻挡了伽马射线传出。Resconi说，这更突出了中微子的价值，因为要了解巨型黑洞周边的物理现象，它们是唯一的媒介。乌贼星系距离地球只有14.4百万秒差距，是距离最近、研究充分的活动星系核之一。

Resconi是太平洋中微子实验站（Pacific Ocean Neutrino Experiment）的发言人，该中微子观测站计划建于加拿大温哥华岛附近的深海，其体积甚至比冰立方还大——超过2立方公里。另一个大型中微子观测站——立方公里中微子望远镜（Cubic Kilometre Neutrino Telescope），正在地中海的三个不同位置建设。俄罗斯也正在西伯利亚的贝加尔湖建设一个立方公里的中微子观测站。这些观测站将组成一个网络，从天空中捕获到空前数量的中微子。

乌贼星系和类似发现令天文学家对中微子天文学充满期待。黑洞周围的极端环境为测试已知物理定律的极限提供了天然实验室，也带来了发现新的定律的可能。Resconi说，“对科学家来说，这再好不过了。”

参考文献：

1.IceCube Collaboration. Science 380, 1338–1343 (2023).

2.IceCube Collaboration. Science 361, 147–151 (2018).

3.IceCube Collaboration. Science 378, 538–543 (2022).

原文以The most unusual portrait of the Milky Way yet: mapping the Galaxy with neutrinos标题发表在2023年7月27日《自然》的新闻特写版块上

© nature

doi:10.1038/d41586-023-02427-6

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