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在南极附近的冰层下数千米处,坐落着有史以来建造的最不寻常的天文台之一。该仪器的神经系统由86串光探测器组成,像超大串珍珠一样延伸到冰盖中。每串都配备了60个篮球大小的探测器,覆盖了地表以下1450米至2450米的深度。而天文台的主体是冰本身,这是一种储量丰富且具有惊人自然透明度的介质。
这个仪器,被称为冰立方,总共跨越了一立方千米的冰。多年来,科学家们一直在使用部分建成的天文台收集数据,但在12月18日,第86根也是最后一根探测器串被放入到位,标志着这个估计耗资2.7亿美元的项目的建设完成。据通信经理劳雷尔·巴克说,该天文台可能会在四月份开始全速运行。
冰立方的任务是观测来自诸如超新星和伽马射线暴等剧烈宇宙事件的高能中微子。中微子是一种奇特的粒子——电中性,并且不愿与其他粒子发生太多相互作用,它们从灾难性的起源处飞速穿过星际介质,并且可以毫发无损地穿过地球。(它们也来自太阳等更平凡的来源。)正如伽马射线和X射线天文台已经做的那样,冰立方应该为宇宙中最高能量的过程提供一个新的观测视角。例如,捕获来自核心坍缩超新星的中微子的踪迹,其中一些超新星以中微子的形式发出超过99%的能量,这将使天体物理学家更清楚地了解恒星死亡的机制。
冰立方利用了中微子的滑脱性,利用地球作为更具相互作用的粒子的过滤器。从南极,天文台搜寻从北部天空飞来的粒子;一些撞击地球上的原子,一些直接穿过地球,还有极少数几乎完全穿过地球,而是在南极冰层最后几公里处撞击一个原子。
当一个中微子撞击冰立方立方公里范围内的原子时,它会释放出高速带电的次级粒子,如μ子,这些次级粒子以短暂的闪光照亮透明的冰。冰立方的探测器阵列,总共超过5000个,可以根据次级粒子的轨迹来确定中微子的来源。(北部天空的中微子从基岩向上穿过探测器,朝向冰的表面。)中微子天文学的优点是,由于中微子是中性的,粒子可以沿直线追溯到其起源点。
冰立方还可以探测到更多来自宇宙射线撞击地球大气层产生的本地中微子和μ子。这些粒子本质上构成了科学家们必须过滤掉以找到遥远的天体物理中微子源的背景,但它们本身也带来了一些惊喜。“我们已经做出了完全令人困惑的观察,即来自指向天空中最强的伽马射线发射器船帆座方向的过量银河宇宙射线到达地球,”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家弗朗西斯·哈尔曾说,他是该项目的首席研究员。由于宇宙射线是带电的,它们的入射轨迹应该会被银河系的磁场搅乱,因此宇宙射线图上的任何热点都需要解释。
随着全功率天文台的到位,这种解释,以及对整个宇宙中高能量天体物理现象的更好解释,可能会在未来几年内实现。“到目前为止,冰立方的一大优势是,随着探测器尺寸的增加,我们一直在收集数据,” 哈尔曾在最后一个孔被钻好时说。“然而,能够最终拥有一个稳定的仪器,我们可以对其进行校准和微调,而无需进行任何进一步的重大更改,这将是很棒的。因此,一旦庆祝活动结束,我们将开始为长期、稳定、不间断的数据采集做准备。”