自从 20 世纪 50 年代物理学家首次梦想着用中微子进行天文学研究以来，圣杯一直是观察太阳系以外第一个发出这些幽灵粒子的物体。1987 年，从附近的一颗超新星中收集到了一些，但这只是一个罕见的事件，而且进行探测的仪器几乎不能算是望远镜；它们几乎无法分辨上下左右。
七月发布的 三篇论文（两篇在《科学》杂志上，一篇在预印本服务器 arXiv 上）宣布了这项 60 年探索的最终成果。冰立方，一个由南极深层冰川冰制成的奇特望远镜，探测到了来自遥远、明亮星系的中微子。
中微子几乎没有质量，并且以接近光速的速度在太空中飞行。它的昵称“幽灵粒子”表明它很少与任何形式的物质相互作用，因此极其难以探测。与光子（光粒子）一样，中微子不带电荷，因此不会被电磁场偏转：它的到达方向将直接指向其来源。然而，与光子不同，它可以像子弹穿过雾一样轻松地穿过行星、恒星、星系、星际尘埃面纱，因此可以为我们带来来自光线不透明区域、宇宙边缘和最早时期的消息。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
最新的发现代表了科学家第二次——继近乎奇迹般的超新星之后——识别出来自同一河外物体的中微子和光。它还为长期存在的谜团提供了一个线索，即被称为宇宙射线的带电粒子（不断从太空轰击我们的星球）是如何加速到有史以来观测到的最高能量的。“这令人难以置信地兴奋，也是我们一直以来对中微子探测器的期望，”英国利兹大学的宇宙射线物理学家艾伦·沃森说，他没有参与这些研究。
美国宇航局的费米（左上）取得了一项新的第一——将遥远星系中的一个巨型黑洞识别为冰立方中微子天文台（传感器串，底部）观测到的高能中微子的来源。 来源：NASA，费米和奥罗尔·西蒙内特和索诺玛州立大学
冰中的天文台
冰立方可以分辨出某些中微子的方向，精度优于四分之一度。它由十亿吨清澈如钻石般的南极冰组成，深约两公里，由 5000 多个光探测器监测。2013 年，它探测到首批来自大气层以外的高能中微子。但这一突破并不完全令人满意，因为这些中微子均匀地从天空倾泻而下：没有迹象表明可能发出它们的特定物体——没有“点源”。
去年九月，冰立方探测到一个携带能量约为最强大人造加速器可能产生的任何粒子能量 20 倍的中微子。这意味着它很可能来自外太空。该仪器广播了自动警报。
冰立方的警报引起了天文学家的极大兴趣，因为中微子代表了新生领域 多信使天文学 中的第三支箭。天体物理学家长期以来一直梦想着使用光以外的信使来揭示宇宙中许多深不可测的奇迹的内在运作。而这个梦想在一个月前才成为现实，当时三个引力波天文台探测到两颗中子星的合并，光学望远镜将该合并与伽马射线暴联系起来：一种最强烈的光的短暂闪光。然而，没有观测到中微子。
德克萨斯州看到的耀变体
在冰立方发出警报几天后，在广岛大学运营的光学/近红外望远镜卡纳塔（日语意为“遥远”）工作的天文学家田中康之意识到，中微子指向的方向与已知的 耀变体 TXS 0506+056 相差不到十分之二度，该耀变体是四十年前由德克萨斯州的一台射电望远镜首次观测到的。
耀变体是天文动物园中最猛烈的生物之一：巨大的椭圆星系，其核心是快速旋转的超大质量黑洞，它们吞噬附近的恒星和其他物质，形成某种持续的宇宙地震，并从其南北两极发出激光束般的光和其他粒子。耀变体与其他具有所谓活动星系核的星系的区别在于，其中一个喷流指向地球方向，使这些物体极其明亮。耀变体偶尔会爆发，在几分钟到几年的时间内亮度增加 10 倍或更多。由于它们具有如此灾难性的性质，并发出非常高能的伽马射线，长期以来人们一直怀疑它们不仅会发出高能中微子，还会发出神秘的超高能宇宙射线。
田中还在费米伽马射线太空望远镜上工作，该望远镜已经对整个伽马射线天空进行了大约 10 年的每三小时一次的成像。通过搜索其目录，他发现 TXS 从去年四月开始爆发。他发出了第二次警报，鼓励“对该源进行观测”，涵盖整个光谱。
TXS 在那一刻之前在 4000 个左右已知的耀变体中并没有脱颖而出，因此人们对它知之甚少——甚至不知道它有多远。在田中发出警报后的兴奋中，天文学界弥补了失去的时间。一个小组确定 TXS 距离地球约 45 亿光年。这使其成为宇宙中最明亮的物体之一。
在田中发出警报六天后，位于拉帕尔马加那利群岛的大气伽马成像切伦科夫望远镜 MAGIC 的操作员宣布观测到来自 TXS 的极高能伽马射线。由于 MAGIC 的观测能量更高，角分辨率比费米更好，因此这一发现加强了与中微子的联系——但还不够。在最近的论文中，冰立方和随后跟进其警报的 15 个合作组织得出结论，单个中微子和耀变体爆发之间在方向和时间上的巧合仅仅是巧合的可能性约为千分之一。在这一行中，你需要三百万分之一的机会才能声称发现。
但冰立方首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家弗朗西斯·哈尔岑指出，这个问题的科学意义不仅仅在于统计数据。他引用了伟大的实验家欧内斯特·卢瑟福的话：“如果你的实验需要统计学家，你需要一个更好的实验，”并补充说，“我们做到了。”
回顾过去
冰立方的点源小组由斯德哥尔摩大学的天体物理学家查德·芬利领导，他们查看了实验的历史数据，发现冰立方在 2014 年 10 月开始的四个月期间探测到来自 TXS 的壮观的“中微子爆发”——总共约 13 个粒子。然而，令人困惑的是，费米没有观察到相应的伽马射线爆发。
另一位冰立方成员，慕尼黑工业大学的天体物理学家 Elisa Resconi，召集了一个小组进行更仔细的调查。他们综合了所有关于 TXS 的观测结果，发现它实际上在 2014 年爆发了伽马射线，但方式很微妙。虽然它总体上没有发出更多的伽马射线能量，但它的光谱在发生中微子爆发时恰好转向了更高能量的伽马射线。光学和中微子光谱的形状在两次爆发期间以互补的方式发生变化。“这一切都吻合，”沃森说，“我相信整个故事，但我花了三篇论文才说服我。这是任何来源中强子成分[由夸克组成的粒子]加速的第一个令人信服的直接证据。”
基本粒子物理学表明，这些中微子只能由强子产生，强子主要是在耀变体喷流中出现并与其他粒子（包括光子）碰撞的质子。由于轰击地球的宇宙射线主要由质子和较重的原子核组成，因此现在耀变体已被证明会产生高能中微子这一简单事实是超高能宇宙射线可能来源的第一个可靠线索。难以确定宇宙射线来源的原因是它们带有电荷，因此它们的轨迹会被星际磁场弯曲，并且它们的到达方向不会指向它们的起源。由于冰立方探测到的中微子一定是沿直线传播的，并且一定是强子产生的，因此它们表明高能强子一定是从同一耀变体源发射出来的。
关于耀变体中微子发射的各种模型，在幸福的理论孤立中发展起来，现在已经与真实数据进行了首次接触，但没有一个模型可以解释所看到的具体细节。以色列魏茨曼科学研究所的理论家埃利·瓦克斯曼认为，这些模型“将需要进行彻底的修改”。
这一发现也为新兴的中微子天文学领域注入了一剂强心剂。瓦克斯曼和沃森现在都渴望下一代仪器。冰立方合作组织已经提出了一个升级方案，有望将灵敏度提高一个数量级，并且计划在地中海和西伯利亚贝加尔湖部署类似的仪器。
与此同时，这个非凡的望远镜继续在其深邃冰冷的住所中观测中微子天空。冰立方几乎肯定会带来更多惊喜。