把中微子探測(cè)中心放于南極極點(diǎn)的地下深處可謂用心良苦。因?yàn)楸划a(chǎn)生自然輻射，把探測(cè)器埋到深處可以過(guò)濾掉宇宙中除了中微子之外的各種其他輻射。南極深處冰層經(jīng)千百萬(wàn)年的凍結(jié)壓積，其內(nèi)部少雜質(zhì)無(wú)氣泡像一塊純凈的水晶體，它具有優(yōu)良的光學(xué)特性，這與天文望遠(yuǎn)鏡要求高質(zhì)量的光學(xué)透鏡有著某種類(lèi)似之處。中微子與介質(zhì)中原子碰撞產(chǎn)生契倫科夫輻射（Cherenkov radiation）會(huì)產(chǎn)生一種特殊的藍(lán)色幽光，探測(cè)中微子的本質(zhì)就是對(duì)這些蘭色幽光的精準(zhǔn)測(cè)量，純凈的各向同性的冰介質(zhì)是這種精準(zhǔn)測(cè)量的基本保證。

“冰立方”中微子天文臺(tái)工作原理示意圖。

“冰立方”中微子天文臺(tái)構(gòu)成示意圖。

冰立方感興趣的只是來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的高能中微子，但是地球外層空間受宇宙射線(xiàn)激發(fā)產(chǎn)生數(shù)量巨大的中微子，它們每時(shí)每刻都在轟炸著“冰立方”，它們也會(huì)在冰立方中產(chǎn)生蘭色的幽光。要在百萬(wàn)以上中微子背景輻射中捕獲少數(shù)高能中微子，這個(gè)過(guò)程要比草堆中尋針還要難千倍。

好在不同能級(jí)不同方向進(jìn)入“冰立方”所產(chǎn)生的契倫科夫輻射的軌跡、偏振、形狀和持續(xù)時(shí)間都是不同的，這些輻射產(chǎn)生的幽靈蘭光被位于不同位置上的傳感器在不同時(shí)刻采集下來(lái)，立即作數(shù)字處理后由電纜集中送到冰立方地面上的計(jì)算機(jī)中心。通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)處理，“去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里”，最后把來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的高能中微子訪(fǎng)客捕獲?，F(xiàn)代先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)是近年來(lái)天文物理學(xué)突飛猛進(jìn)的關(guān)鍵，引力波的發(fā)現(xiàn)就是一個(gè)最好的佐證。測(cè)量引力波需要分辨質(zhì)子尺度千分之一的長(zhǎng)度變化，沒(méi)有現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)是完全不能設(shè)想的。

高能中微子一定來(lái)自高能激變的天體，這次被精準(zhǔn)定位的TXS 0506 + 056就是耀變體(blazar)，這是一類(lèi)極其活躍的星系，它的核心是一個(gè)超級(jí)大黑洞。當(dāng)鄰近恒星路過(guò)巨大黑洞時(shí)，會(huì)引起“潮汐撕裂事件”被黑洞吞噬[1]。因?yàn)楹诙幢旧淼男D(zhuǎn)在其附近空間引成強(qiáng)磁場(chǎng)，被高速吸入的部分恒星氣體在磁場(chǎng)作用下沿著黑洞自旋軸方向加速?gòu)棾?，引成接近光速的“相?duì)論性噴流”(relativistic jets)。在這股噴流中被超級(jí)加速的質(zhì)子彼此碰撞或與光子碰撞時(shí)，結(jié)果是產(chǎn)生π介子。帶電的π介子衰變?yōu)棣探樽雍挺探樽又形⒆?，而中性π介子又衰變成伽馬射線(xiàn)。耀變體的“相對(duì)論性噴流”就成為了燿眼的光芒、伽馬射線(xiàn)暴和高能中微子的同一源頭。

高能中微子在多信道、多手段天文觀(guān)測(cè)中將起到不可替代的作用。中微子不帶電荷、幾乎不與其它任何物質(zhì)相互作用，被稱(chēng)為宇宙中的“隱身人”?！盁o(wú)欲則剛”，中微子在行進(jìn)中不受阻礙，一條道走到黑絕不拐彎。所以根據(jù)中微子軌跡很容易對(duì)重大天文事件定位。今后，中微子探測(cè)將成為多信道天文學(xué)(multi-message astronomy)觀(guān)測(cè)的重要手段。

2017年8月17日引力波探測(cè)導(dǎo)致雙中子星并合事件的發(fā)現(xiàn)。僅一個(gè)月后，2017年9月22日高能中微子探測(cè)把伽馬射線(xiàn)暴與高能中微子的源頭定位在TXS 0506 + 056星系上。這兩個(gè)事件的科學(xué)意義無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)也不算過(guò)分。

1609年的秋天，偉大的物理學(xué)家伽利略舉起自制的望遠(yuǎn)鏡朝向星空，是人類(lèi)天文物理的第一次突破。四百多年來(lái)，人類(lèi)制作了各種各樣的光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡在天文觀(guān)測(cè)中取得了豐碩的成果，但是所有這些設(shè)備都是基于對(duì)電磁輻射的觀(guān)察測(cè)量，直到2017年人類(lèi)又獲得了引力波和高能中微子這兩種新的測(cè)量方法。2017將以多信道天文學(xué)的開(kāi)啟之年在人類(lèi)的科學(xué)進(jìn)步史冊(cè)上留下不可磨滅的印記。

最后談二點(diǎn)個(gè)人看法：

1）與本次事件相關(guān)的兩篇最新論文的分析都是3-sigma等級(jí)，3-sigma等級(jí)意味著論文的結(jié)論有相當(dāng)高的置信度?？茖W(xué)家一般要求達(dá)到5-sigma閾值標(biāo)準(zhǔn)才將研究結(jié)果確定為“重大發(fā)現(xiàn)”，這是粒子物理學(xué)研究的通常做法，但天體物理及其它一些物理領(lǐng)域要達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較困難。讓我們以謹(jǐn)慎的熱情歡迎本次發(fā)現(xiàn)，并耐心等待進(jìn)一步的探測(cè)和更多數(shù)據(jù)的到來(lái)。

2）高能中微子實(shí)驗(yàn)純屬基礎(chǔ)科學(xué)研究，主要的意義在于加深人類(lèi)但宇宙、高能物理和基本粒子的理解和認(rèn)識(shí)。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期中，中微子都不會(huì)有什么實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，希望不會(huì)有人去開(kāi)展中微子通信之類(lèi)的工程活動(dòng)。

注釋?zhuān)?

[1] 黑洞“潮汐撕裂事件”和伽瑪射線(xiàn)脈沖

http://blog.sciencenet.cn/blog-2761988-1088432.html