这个10亿吨重的天文台，首次发现来自银河系高能中微子

位于南极的冰立方微中子天文台（ IceCube Neutrino Observatory）是世界上最大、最神奇的天文台之一，最近，它探测到了银河系内中微子（neutrino）辐射的首个证据，这一成就将决定天文学家如何理解我们的银河系。

中微子是一种广泛存在的不带电亚原子粒子，质量极小。每时每刻都有大量中微子穿过地球，但由于它们只参与引力和弱相互作用，穿过一般物质时很少受到阻碍，难以被发现，也因此被称为宇宙中的“幽灵粒子”。中微子诞生于极端的环境中，就像那些围绕着大质量黑洞的环境一样，能在太空和物质中畅通无阻地直线穿行。

我们距离黑洞和爆炸的恒星太过遥远，难以观测，又无法在实验室里直接实验，科学家们往往依靠宇宙信使来研究它们，比如来自恒星的可见光。中微子则是另一种类型的宇宙信使，但它们实在太小，人类的眼睛甚至大多数类型的望远镜都无法观测到。

【资料图】

于是，冰立方微中子天文台便有了用武之地。这个位于南极洲的天文台由重达10亿吨的冰和冰冻在其中的传感器网格构成。当传感器探测到一个中微子通过时，它们就会发光，根据传感器的布置，研究人员可以确定产生闪光的中微子的能量和方向。然后根据能量和方向的信息，尝试找出这些中微子来自宇宙中的哪个地方。

用冰探测中微子

识别冰立方微中子天文台传感器上中微子相互作用产生的闪光并不是一件容易的事。每一秒钟，冰立方微中子天文台就会记录大约2600个事件，尽管其中大多数事件来自被称为宇宙射线的高能粒子，这些粒子在撞击地球大气层时也会产生稳定的中微子之雨。每年我们所观测到的十万个中微子中，只有几百个来自银河系或银河系外的源头，而不是来自宇宙射线。

排除掉来自宇宙射线的中微子，以寻找来自外太空的中微子，就像试图在一幅被多层颜料覆盖的肖像画中看到一处暗淡的细节，你必须非常谨慎，小心翼翼地去除噪音，同时保留你试图揭示的东西。

令人惊讶的是，冰立方微中子天文台的研究人员此前发现的两个中微子源都来自银河系外部，其中之一是一个非常明亮的耀变体（blazar）。耀变体是一种密度极高的高变能量源，是众多活跃星系中的一种。这些中微子距离我们非常遥远，但是比银河系中任何来源的能量都要高。

来自银河系的中微子能量更为微弱，须要美国德雷克塞尔大学（Drexel University）和多特蒙德大学（Dortmund University）的冰立方微中子天文台合作团队进行一些巧妙的处理。2023年6月29日，他们关于冰立方微中子天文台探测银河系首批中微子的工作发表在《科学》（Science）杂志上。

利用一些技巧，研究人员可以过滤掉来自外太空的宇宙射线中微子和其他宇宙射线噪音。比如按能量高低给中微子进行排序，高能中微子更有可能来自外太空；还可以寻找数据中的中微子群，因为来自银河系外的中微子倾向于聚集在一个地方；此外，也可以借助其他望远镜已经探测到的短暂天体物理现象（例如黑洞）来寻找中微子。

2013年，冰立方微中子天文台公布了第一个天体物理学中微子的证据，这些中微子是根据它们的能量确定的。当时探测到的都是单个孤立的中微子，研究人员并不能准确地判断出它们来自何方。

寻找中微子的源头

尽管科学家们得出结论，确定这些最近发现的中微子来自我们的银河系，但是他们并没有一个足够清晰的银河系地图来确定这些中微子确切的源头。下一步，他们将优化对数据的分析以确定中微子源头的具体位置。

目前有几种方法可以提高对中微子源的搜寻精度。首先，观察的时间越长，收集的数据越多，研究人员就越有可能找到中微子的来源，但是想要将搜寻到源头的精度提高10倍，需要的数据要多上100倍。所以，靠智取胜可能是更好的做法。

更聪明的方法包括：首先，研究人员可以通过选择哪些宇宙事件来改进事件选择，从而使样本中有更多潜在的中微子候选者；他们还可以更好地重建中微子路径，这就像是带着新配的眼镜重新参观博物馆，以便看得更清楚；最后，他们可以尝试找到一种方法来减少背景噪音，就好像是寻找一个覆盖颜料层更少的肖像画区域。

在最新的论文里，研究人员使用了所有这些技巧来观察微弱的银河系中微子。他们找到了提高样本量的方法，并使用机器学习来改进事件重建。这么做能有效减少背景辐射，让他们得以追踪到这些中微子在银河系中的源头。

对于我们研究的大多数形式的宇宙光线，来自银河系内的光源发出的光最亮，因为它们距离我们最近。但对于中微子来说，情况并非如此：数千万光年之外的棒旋星系梅西耶77（M77，又称NGC1068）发射出的高能中微子比银河系更多。这告诉我们并不是所有的星系都具备产生高能粒子的能力，但是我们也需要找到并研究更多发射中微子的星系来理解银河系的“怪癖”。

冰立方微中子天文台正计划进行一次高能升级，将探测器阵列的体积扩大8倍。一旦21世纪30年代的升级完成，科学家们将能够利用更先进的技术探寻中微子。

参考来源：

[1] Madsen, J. (2023) IceCube neutrino detector in Antarctica spots first high-energy neutrinos emitted in our own milky way galaxy, The Conversation. Available at: /icecube-neutrino-detector-in-antarctica-spots-first-high-energy-neutrinos-emitted-in-our-own-milky-way-galaxy-208743 (Accessed: 03 July 2023).

[2] IceCube Collaboration, Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane. Science 380, 1338-1343 (2023). DOI:

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