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天文学重大突破:人类大学生兼职可以做什么首次探测到黑洞发出中

来源:http://www.so.com/ 2019-09-06 19:03

  在冰封的南极大陆,有一个特殊的天文台,叫做IceCube,它深埋在南极冰盖下,专门用于中微子探测。图为Ice Cube天文台地表部分。据《每日邮报》报道,IceCube天文台前两天爆出惊天猛料,天文台发现了来自37亿光年外的高能中微子信号,这一信号虽然只持续了3000纳秒,但它的意义却是非同凡响的,是一次天文学上的巨大突破。

  什么是中微子?------中微子是一种基本粒子,不带电,质量极小,与其他物质的相互作用十分微弱,在自然界广泛存在。由于它的这一特性,人们又将其称为“幽灵粒子”,事实上,每秒钟通过我们眼睛的中微子都数以十亿计,只不过我们丝毫不会察觉。

  中微子想象图------中微子早在1933就被理论物理学家推算出来了,但是直到1956年才第一次被人们观测到。以前人们以为中微子是没有质量的,永远以光速飞行。1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型,称为中微子振荡,间接证明了它们具有微小的质量。不过这个质量非常非常小,1998年之前还没有测出来,它们的飞行速度非常接近光速,1998年之前也没有测出与光速的差别。由于它很难探测,是我们了解最少的基本粒子,现在还存在大量的未解之谜。大多数中微子都来自太阳内部,能量都在100TeV以下,但除此之外,还有一小部分中微子是这个神秘家族中的特殊存在,它们携带着更高的能量,存在于非常遥远的深空。

  信号来了!------如前文所说,IceCube天文台是专门用于探测中微子的,它位于南极冰盖下2.4公里的大学生兼职可以做什么地下深处,天文台中装备了60个足球大小的光学探测器,这些模块有着极高的灵敏度,它们就像一双双眼睛,盯着遥远的宇宙深处,搜寻着谜题的答案。

  当高能中微子穿过探测器后,会产生带电粒子,粒子穿过传感器阵列,产生切伦科夫光,于是科学家就能观测到信号了,不过这样的信强度往往异常微弱,所以能够有新发现还需要日复一日的坚守和一定的运气。

  深埋于地下的探头------时间很快来到了2017年9月22日20:54:30.43秒(UTC),一个高能中微子自动触发了部分IceCube预警系统——μ介子追踪事件。43秒后,观察员得到了中微子的方向和能量估计,一系列重建算法迅速对整个事件进行分析,最终得到了整体的分析结果。

  事件持续将近3000纳秒,小球的尺寸越大,预示着穿过传感器的光子总量越多(前文说过,中微子事件产生的切伦科夫光会被传感器接收),也就预示着更清晰的信号。红色箭头代表最佳跟踪方向。一共记录到5800个光电子,顶部视角给人一种光电子们呼啸而来的感觉。

  科学家们发现了什么?------随后不到4个小时,地面和天空将近20台望远镜,都聚焦在中微子到来的方向上。NASA的费米望远镜和位于加纳利群岛的MAGIC望远镜依据IceCube提供的轨迹数据(红色箭头)最终锁定了信号源。

  信号源是一个位于猎户座中的耀变体,代号为TXS 0506+056,距离地球37亿光年,背景展现了费米探测到的伽马射线数据,颜色越浅等级越高。黄色方块代表通过警告最初预测的位置,绿色方块代表重建分析后最后的结果。灰色和红色圈则划出了50%和90%中微子容量的区域。

  细心的你可能会问,如何通过一个轨迹数据以及望远镜的探测数据就能如此确定的将它们关联在一起?前面说过,中微子与其他物质作用十分微弱,实际上,它的运动路径基本不受其他物质的干扰,所以其他的望远镜可以放心的由此确定中微子来源的方向,它们得到的数据也证实了这一发现(下图);其次,科学家们计算了两次事件的巧合概率,并认定它们确实能够联系在一起。

  值得一提的是,耀变体离我们有37亿光年远,这是人类迄今发现的最远的中微子。这次发现也是多信使天文学的大作。从过去的双中子星融合事件中引力波-伽马射线等联合观测,到如今发现了黑洞与高能中微子的关系。天文学在进步,我们期待它以后带给我们的丰硕成果。

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