2013年11月23日星期六

纽约时报: 科学家利用南极洲探测器捕捉到外太阳系粒子

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科学家利用南极洲探测器捕捉到外太阳系粒子
Nov 22nd 2013, 10:26, by KENNETH CHANG

在这个世界的底部,有一个被冰覆盖、旨在捕捉数量众多但却难以探测的亚原子粒子的天文台,这个天文台可能会让天文学家获得对宇宙的全新认识。

一个国际科学家小组周四报告称,他们在两年的时间里探测到了28个此类粒子,也就是所谓的中微子,它们来自太阳系之外,可能来自宇宙尽头。

威斯康星大学(University of Wisconsin)弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)表示,"这为我们提供了一个研究天文学的新方法。" 哈尔岑是冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)项目的首席研究员。研究结果刊登在《科学》(Science)杂志上。

1987年,美国、日本及俄罗斯的探测器发现了24个中微子,它们是大约16.5万光年之外的一颗恒星出现超新星爆炸时产生的。这是冰立方天文台于2010年开始进行观测之前,科学家第一次也是最后一次探测到遥远的中微子。该天文台主要由美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助。

逾5000个传感器被放置并冻结在南极洲一片体积为一立方千米(约合四分之一立方英里)的冰层中,以便寻找中微子的碎片喷流发出的蓝光。

中微子是幽灵似的粒子,很少与宇宙中的其他物质产生相互作用。为太阳提供动力的聚变反应产生了大量中微子,但其中绝大部分都没有被探测或感觉到:在地球上,每秒钟都会有数万亿个中微子穿过每一个人。

冰立方天文台耗资2.71亿美元(约合16.5亿元人民币),用了10年时间才建成。它忽略了太阳中微子,转而寻找银河系其余部分乃至更远星系的剧烈活动产生的中微子。实际找到之前,科学家并不知道自己会找到什么。

哈尔岑博士表示,"实际上,我认为最令人震惊的事情是,它们的确按照人们的期望出现了。"

科学家以《芝麻街》(Sesame Street)中的人物给新发现的中微子命名。28个中微子当中,能量最高的两个分别是伯特(Bert)和厄尼(Ernie),其他两个被称为朱小姐(Miss Piggy)和史纳菲(Snuffleupagus)。

搜集数据的第三年还出现了一个能量更高的中微子,它被命名为大鸟(Big Bird),《科学》上的论文没有提到这些数据。

哈尔岑说,28个中微子当中,有些可能来自我们所在的银河系,其他的则来自更远的地方。"有些肯定来自银河系之外,"他说。冰立方只能探测到中微子总数当中的百万分之一,也就是说,当时有约2800万个太阳系之外的中微子穿过。

由于中微子很少与其他物质产生碰撞,所以检测它们需要大量物质——以冰立方的情况而言,这些物质就是南极现成的大量冰块。

在极少数情况下,中微子确实会与其他物质发生碰撞,然后产生电子喷流和其他的亚原子碎片。带电的粒子会在冰之类的透明物质里发出蓝光。光电管会把光的喷发记录下来,科学家可以根据发光模式确定进入冰层的中微子的运动方向和能量。

虽然冰立方的设计意图不是找寻邻近星系超新星爆发产生的低能量中微子,不过,对冰立方来说,与1987年那次爆发相似的爆发会是一个巨大的意外收获。哈尔岑说,它将由此记录到大约10万个中微子。

直到现在,大多数望远镜都是通过搜集低能量无线电波、可见光、X光和伽马射线等光子来观测宇宙的。

冰立方探测到的超高能量中微子为观测宇宙打开了一片新的天地。

科学家希望通过进一步的观察来确定这些中微子的来处,看它们究竟是来自黑洞,还是来自被称作脉冲星的快速旋转的坍缩恒星。

夏威夷大学(University of Hawaii)物理学教授约翰·G·勒尼德(John G. Learned)并未参与冰立方项目。他表示,冰立方小组认为这28个中微子来自太阳系之外的看法很有说服力。

奇怪的是,冰立方并没有发现比伯特、厄尼和大鸟能量更高的中微子,根据人们目前对产生这些中微子的宇宙活动的判断,比它们能量更高的中微子也应该存在。"没有这样的中微子,"勒尼德说。"我们不明白是为什么。"

但他又说:"我们喜欢这类局面。未解之谜可能意味着我们有机会学到全新的科学知识。"

还有一种诱人的可能性,那就是有些中微子来自银河系的中心。果真如此的话,也会让人非常惊讶,原因在于能产生中微子的宇宙活动必然会产生能量非常高的宇宙射线和伽马射线,但科学家们并没有探测到这些东西。

哈尔岑说,现在下结论为时过早。他说,"我们现在知道了自己在寻找什么,我们会弄清楚的。"

翻译:许欣、陈柳

纽约时报中文网

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