南极发现极高能中微子动能相当于一枚秒速一米的樱花瓣

南极发现极高能中微子，动能相当于一枚秒速一米的樱花瓣

如何解读NSF 公布IceCube 中微子观测站首次定位

宇宙中的高能中微子源？有何重大意义？刘博洋，天体物理学博士生

先上结论

去年8 月，双中子星并合的时候，我们说人类全面进入了多信使天文学时代。

而本次IceCube 和其他望远镜联手发现一颗极高能中微子

的来源，则标志了多信使天文学时代中又一个重要的里程碑。

发生了什么？

简单版本：

2017 年9 月22 日，建设在南极冰层里的中微子探测器“冰立方”（IceCube）探测到了一次比较罕见的极高能中微子事件：这是一个能量为~290 TeV 的中微子，相当于具有一枚秒速一米的樱花瓣的动能。巧合的是，这颗中微子的来源方向上，在几十亿光年开外，刚好有一个已知的特殊天体。而且，在此事件前后约两周事件内，用于监测高能光子的费米卫星发现，这个天体发出的高能光子的亮度比平时强了 6

倍——所以说，它很可能就是这颗高能中微子的源头。

高能中微子的形成和高能质子具有密切的联系，而高能质子是所谓“宇宙线”（宇宙来的射线，Cosmic Ray）的主要成分，所以本次发现同时首次确认了宇宙中高能中微子和高能宇

宙线的（一种）来源。

正如2017 年8 月，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和费米卫星先后探测到双中子星并合事件发出的引力波和

高能光子，随后全球各个波段的望远镜对事件源天体展开了一大波观测，本次冰立方和费米卫星联手确认这颗高能中微子源的来源之后，也引起了一大波各种波段望远镜对该事件源天体的追捧。这两次全球天文学家的联手狂欢，前后相隔仅仅一个月的时间，可以说代表了当代观测天文学一种“新常态”的到来。

到底发生了什么？

有点复杂，一样一样说，慢慢看。

0、用一句话说说中微子是啥？

1、以前真的从来没有定位过中微子源吗？

2、极高能中微子从哪来的？

3、为什么要跑南极探测中微子？

开始咯~

0、用一句话说说中微子是啥？

一种质量非常小的基本粒子，比电子还要轻大约两百万倍。

它经常产生于各种粒子相互转化的过程中，产生后以接近光速飞行，几乎和任何物质都不发生作用。

1、以前真的从来没有定位过中微子源吗？

这倒也不是。

中微子在上世纪30 年代作为一种理论上存在的粒子被提出，在上世纪中叶太阳能源机制问题被逐渐解决的过程中，太阳内部核反应可以产生中微子这件事，逐渐被人们明确的意识到。1970 年代，Raymond Davis, Jr. 和John N. Bahcall 两位天文学家首次通过实验确认了太阳中微子的存在（他们还发现了所谓“太阳中微子疑难”，2015 年的诺奖即与此有关，这是另话）。

所以太阳成为了人们确认的首个能够发射中微子的天体，当然，恒星也就成为人们确认的首种可以发射中微子的天体。1987 年，人们在银河系的卫星星系“大麦哲伦云”（LMC）中观测到了一颗肉眼可见的超新星，这是1604 年开普勒超新星以来唯一一次肉眼可见的超新星爆发事件。而就在这枚距离我们16 万光年的超新星放出的光子到达地球前三个

小时，分布在全球各处的几台中微子探测器不约而同的探测到一波中微子信号（2002 年的诺奖与此有关，也是另话）。所以超新星1987A，成为了人们确认的第二个发射中微子的具体天体。

但这次冰立方探测到的中微子，可以说是把前两者碾压到渣

都不剩。

太阳中的中微子绝大多数来源于质子- 质子反应，这种反应释放出的中微子能量峰值位于大约0.3 MeV 处。而1987A 超新星爆发前，日本神冈等中微子探测器捕捉到的中微子能量，则均在10 MeV 左右。TeV 和MeV 之间差了百万倍，所以冰立方这次看到的极高能中微子的能量（~290 TeV），分别相当于太阳中微子平均能量的十亿倍，和1987A 中微子平均能量的数千万倍。

2、极高能中微子从哪来的？

是什么东西可以让如此渺小的中微子拥有如此巨大的能

量？

宇宙中很多极端的现象，要找一个罪魁祸首的话，黑洞都难辞其咎。

极高能中微子也是如此。

上世纪60 年代，射电天文学的发展为天文学打开了崭新的电磁波段窗口，一系列影响深远的新天体、新现象被发现，其中就包括“类星体”，这种看着像是恒星、但其实不是恒星的东西。其他一些对公众而言比较冷僻的天体类型也被逐一发现，包括蝎虎座BL 型天体、射电星系、赛弗特星系……这些天体在谱线特征、光变规律各有特点，但经过几十年的研究，学界已经逐渐达成了这样的共识——

它们，其实都是一种东西，我们现在将其统称为“活动星系

核”（AGN）。

而所谓活动星系核，指的就是星系中央盘踞着的超大质量黑洞，以及由于黑洞对周围物质的吸积等作用产生的周边结构，所共同组成的这么一种天体系统。

星系中心黑洞的质量极大而尺度极小，在时空中压出了一个很深的引力势井。周围的物质在向中心掉落的过程中，会释放巨量的引力势能——最多可以达到物质自身静能（

那个能量)的30%左右，可以说是宇宙中最高效的能量生产方式（相比之下，恒星中的核反应只能把参与反应粒子的不到1%转化为能量）。

这些能量一部分通过摩擦加热了黑洞周围旋转的薄盘——

吸积盘，让吸积盘成为明亮的光源，以X 射线等高能光子的形式释放出能量。另一部分则通过某种尚存争议的机制，在垂直于吸积盘的方向上向两侧产生以接近光速喷出的强

大喷流。

虽然它们都是超大质量黑洞为核心的天体系统，但黑洞也有“正在挨饿”和“正在饕餮”这两种状态；即使对同一种状态的黑洞，你可以沿着吸积盘的方向看过去、可以斜着看过去、也可以不顾亮瞎眼的危险，正对着喷流看过去。这些不同状态的活动星系核，在不同角度下看过去，形成不同表象，