埋在南极冰原下 占地一平方公里（这次科学家终于探测到神秘信号）

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来自地底深处的神秘信号

地球南极，这是世界上最寒冷的地区，这里人烟罕至，动物稀少，到处都是冰川积雪。严寒带来的影响使得这儿几乎没有人类居住，不过作为科考地点来说，再合适不过了。没有其他人的干扰，这里是地球上最后的一片净土。

位于南极冰原之下，一场实验正在悄然进行。随着神秘信号的探测破译，这场实验宣布结束。而这次的结果令科学家们激动不已，该神秘信号是人类首次直接探测到高能天体物理的中微子。

南极冰川

从卫星图的布局来看，这个实验场所占地面积为一平方公里，但是这个实验台和以往的还有所不同，它还需要去立体地观察才有原本的样貌。

冰立方中微子天文台简称“冰立方”，是中微子天文台建造在南极洲阿蒙森-斯科特南极站，整个项目是欧洲最大的粒子物理实验室。它的前身则是南极缪子和中微子探测器阵列AMANDA（阿曼达）。

冰立方中微子天文台

阿曼达由光学模块组成，每个模块包含一个光电倍增管，沉入南极冰盖深度1500米~1900米。由光学模块组成的阵列安装在单独的字符串上，这些字符串则分布在一个直径200米的圆中。通过将热水软管在冰层中钻孔，将带有光学模块的电缆沉入其中，再让冰冻结，从而达到固定效果。

阿曼达能够探测到能量非常高的中微子，大约在500亿电子伏特（50+GeV），这些中微子从北半球穿过地球，然后在它们穿过南极冰层时会发生反应。

阿蒙森—斯科特站

相互作用下的氧或氢原子核通过与周围水冰中包含的缪子和强子簇射。阿曼达的光学模块则是用来检测这些粒子背后形成的契伦科夫辐射，通过分析光子的撞击时间，以此可以大致判定原始中微子的方向。

2005年，阿曼达正式成为后续项目，也就是冰立方项目的天文台。阿曼达在后续的更新中进行了迭代处理，有了更多的光学模块，冰立方在2010年12月18日竣工。

光电倍增管

冰立方与前身阿曼达类似，冰立方是由数字光学模块的球形光学传感器组成，每个传感器也都带有一个光电倍增管和一个单板数据采集计算机，这些计算机会将收集到的数据发送到阵列上方表面的计数室。

2013年11月，冰立方宣布探测到的28个信号源可能来自于太阳系，在此之前，科学家一直认为这些中微子信号来自地球内部，或者是太阳信号传递在地上，由于地球磁场影响所产生的变化。

太阳系

随着冰立方这些年的不断升级，能够探测的信号数据越来越多。2018年，冰立方中微子天文台宣布它们追踪到往期的神秘信号。而这个神秘信号正是超高能中微子，它的起源则在TXS 0506 +056（简称德克萨斯）。

“德克萨斯”位于57亿光年外的猎户座，这是科学家首次使用中微子探测器定位空间中的物体，这一发现使得宇宙射线可以被识别出来。

猎户座

“德克萨斯”是一个非常高能的耀变体，其类型为BL Lac天体，它的显著特征是快速和大幅度的通量变化，以及显著的光振偏。同时“德克萨斯”是第一个已知高能天体物理中微子，此前被观测到的唯一天文来源是太阳和超新星1987A。

“德克萨斯”被正式命名前，其信号发现是在2017年9月22日。冰立方天文台探测到了一个高能缪子介子中微子，并将其命名为IceCube-170922A。

超新星1987A概念图

当前大型强子对撞机最多可以产生13兆电子伏特的能量，但这个信号的能量高达290兆电子伏特。整个探测过程结束后的一分钟，冰立方向全球天文学家发送了自动警报，同时附上坐标以寻找可能的来源。

经过对相关宽域的天空区域进行搜索后，科学家只发现了一个可能的来源，这便是“德克萨斯”，该名字也是来源于其常用的电信号频道。

不过它并不是第一次出现在科学家们的眼前，很早之前这个耀变体就被发现过了，并且当时处于高伽马射线发射的状态。科学家们记录下来了这个耀变体的电磁光谱，包括无线电信号、红外线、X射线、伽马射线等。

冰立方封存的中微子存档数据中搜索发现，2014年至2015年早期低能中微子耀斑的预发现形式，这个发现支持了将耀变体确定为中微子的来源。

随后在几年的观测中，冰立方的对其中微子在低伽马射线通量中的发现，表明“德克萨斯”可能是一个非典型耀变体。2020年，另一个使用MASTER全球望远镜网络的项目里发现，当初在冰立方发出警报后的一分钟，“德克萨斯”的光谱处在关闭状态，2小时之后重新开启，这也证实了该耀变体处于中微子效率状态。

宇宙射线

为什么说中微子的发现让不少天文学家为之兴奋？原因在于要观察到这种运动实在是太难了，这可以说是人类科学技术的另一个天花板了。

关于中微子的研究早就不是什么新鲜事，也不是什么神秘事件，早在上世纪60年代就开始了相关研究，只不过这次信号的最初发现确实让人迷惑。

中微子

作为天文学中的一个分支，中微子是某些放射性衰变、核反应或高能天体物理现象，例如核反应堆或宇宙射线撞击大气中的原子而产生。

由于中微子是电中性轻子，很少和物质相互作用。但当它们与大气中的水分子反应时，会产生带点轻子，例如电子、介子、陶斯。假如这些带电轻子的能量足够大，那么它们可以发射契伦科夫辐射。

不过中微子的相互作用即使发生了也会非常弱，因此探测这种信号的设备通常都会有非常大的质量，往往会有数千吨。探测器在探测过程中，还必须具备屏蔽一些背景信号的能力，不然会严重影响观测效果。

上世纪60年代，戴维斯和巴考尔就探测到了第一个太阳中微子。随后一直到70年代、80年代，美国、苏联、日本都有不同程度的对中微子进行观测研究。到了2002年，戴维斯和小柴昌俊还共同获得了当年的诺贝尔奖。

地球接收信号

进入21世纪后，苏联的杜曼项目衰落，由此小组分支出去的三个分支分别对不同海域地区都建立了相关研究室。经过数年间的建设观测，这些实验室逐渐升级，其中的一个望远镜项目便是今天的冰立方。

契伦科夫辐射反应的带电粒子与水分子的反应效果，就像是水中轮船的船头冲击速度快于其穿过的波浪。冰立方所携带的光电倍增管可以检测到这种变化，从而构成其内部的数字光学模块数据。

埋入南极冰层下方的探测器

来自冰立方里的单板数据采集计算机信号被数字化之后，通过电缆发送到冰川表面，这些信号通过地面计数室收集，并经由卫星向北发送以进行进一步分析。

由于中微子相互作用的罕见性，保持低背景信号非常关键。也正是出于这个原因，大多数中微子探测器都是在地底深处的岩石下方，或者像南极的冰立方这样，位处于水覆盖层下去建造。

即便如此，仍然会有不少混杂信号会不可避免地进入探测器，大多数时候这种信号都是带有一定“杂质”的。由此可见，探测证实一次中微子信号有多难了吧。

不仅仅是观察

要说观察中微子是为什么，整个关联那真的就大了去了。中微子这种来自深空的高能粒子，大多是宇宙中那些异常剧烈的高能过程产物。

宇宙射线

这些猛烈的宇宙活动可能会使中微子携带它们的中心信息，通过研究中微子的起点源可以帮助科学家们解释这些高能量宇宙射线的起源之谜。

伽马射线爆发和超新星遗迹的中微子起源难以捉摸，冰立方探测到的数据能够协同伽马射线卫星一起使用。而冰立方的观察表明，没有与之相关的伽马射线爆发的同时还会产生中微子，这种搜索结果将中微子控制在一个可观测值里，将帮助科学家建立起一个更合理的宇宙空间。

暗能量

另外一个就是我们经常听说的暗能量了，暗能量作为上世纪科学家提出来的一个神秘物质，它关乎着宇宙的终极命运。来自宇宙深处的弱相互作用大质量粒子暗物质，可以被太阳聚集在太阳核心。

当这些粒子的密度足够高的时候，它们便会湮灭。湮灭衰变产生的衰变物可能成为中微子，而冰立方通过这种对太阳方向过量中微子的间接的搜索，与直接搜索相互作用的暗物质要更敏感。

中微子模拟图

这次的发现不仅进一步实际观测到了中微子，从遥远地带的耀变体中检测到中微子的情况下，那些多波长的信号被排除，证实了耀变体是中微子的主要来源。这样的研究在未来还能被补充进电磁学和引力观测中，由此产生更多天文学分支。

从整个天文学的研究来看，中微子的研究是本世纪最重要的研究课题之一。它能够揭示宇宙的起源，对于中微子的观察如今才刚刚起步。

如今中微子的研究已经不再像往常那样神秘，不仅是欧洲、美国对其有着众多的研究和相关课题。同样在亚洲，关于中微子的观测也在火热地进行中。

亚洲较早研究中微子的是日本小柴昌俊的科研团队，日本的中微子探测设施埋藏于地下，并修建了许多蓄“水”池。这些“水池”同样也是分析中微子信号的主要检测源，而数据收集手段无一例外的是光电倍增管。

超级神冈

进入21世纪的日本，在中微子研究方面取得重要进展后，日本政府也随即进行了更多支持，投入了更多财力。超级神冈则是他们最新的“作品”。

由于我国的天文事业起步较晚，但好在随着我国科技进步的发展，经济增长突飞猛进。作为后起之秀，我国无论是天文学方面还是航空航天方面都取得了傲人的成绩。关于中微子的研究，我国也同样在追赶进度，自大亚湾第一代中微子实验装置退役后，新的江门中微子实验装置已经顺利运行。

江门中微子实验

相信在未来，人类通过共同合作和努力，将会在宇宙起源上得到更多认识，这对于我们来讲，能够认识到宇宙一切事物的终极变化和走向，则是极其幸运的，因为我们所处的时代正在朝着宇宙深处加速前进。

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