“幽灵般的”中微子帮助我们看之前从未见过的银河系

正如马塞尔·普鲁斯特所说，“真正的发现之旅由......不在寻找新风景中而在有新的眼光构成”。

HARD SCIENCE — AUGUST 15, 2023

Don Lincoln

Credit: Ice Cube Collaboration

关键要点

     一种用冰立方探测器拍摄银河系的独特照片，该探测器观测来自太空的高能中微子。

虽然银河系的高能中微子创造的确切过程仍然不清楚，但据信它们源自伽马射线和太空中氢相互作用的结果。

目前的观测表明伽马射线源和中微子发射源之间一个共相关，但在预期的高能中微子的速率和观测速率中有一个差异。

1923年，法国作家马塞尔·普鲁斯特（Marcel Proust）出版了他的七卷史诗《过去事物的回忆》（Memoembrance of Things Past）的第五本书。在其中他写了一段随着时间已经被段落为 “真正的发现之旅由......不在寻找新风景而是有新的眼光构成”的话。这是一个天文学家早就知道的信息，在最近宣布的一张新的和独特的银河系照片中这再次被证明。这张图像开辟了一个理解我们的银河系环境的完全不同方式。

从光子到中微子

自古以来，天文学家已经用电磁波谱观测了天空，从史前的肉眼到1610年首次用一台望远镜。随后是在1932年的无线电波和1960年代的伽马射线。但电磁辐射（它的粒子形式是光子）并不是能穿越星际空间的唯一东西。另一个信使是谜一般的中微子，一种以某些类型的核衰变发射的粒子。

研究人员用冰立方探测器来寻找自深空的非常高能量的中微子。冰立方是巨大的：它由位于南极的一立方公里冰组成。来自太空的中微子穿过大气层并在冰中相互作用。这些相互作用沉积大量的能量，这些能量被转换成一种非常短暂的光的眨眼。用各种的眨眼模式，研究人员能够计算出原始中微子正在来自的方向。

这种测量是非常困难的。中微子被从核反应发射，附近最大的核反应堆是太阳。真的，所有的恒星都发射中微子，尽管由恒星发射的中微子的能量往往比冰立方探测器正在寻找的中微子远更低。然而，被检测到低能中微子的速率远高于高能中微子。挖掘出高能信号需要十年的数据和先进的人工智能技术。

辛勤的工作回报了，产生一个约60000个来自太空的高能中微子实例的数据集。因为中微子被天体发射，研究人员预计高能中微子最常见的来源是在银河系平面内，而这是他们发现的。

伽马射线和高能中微子

星系高能中微子被创造的过程还没有被彻底了解。人们认为它们并不直接的起源于恒星、超新星或其他天体内部。相反，天文学家认为伽马射线是来源。伽马射线是一种非常高能量的电磁辐射形式，远比X射线更强。它们被从非常热和大质量的恒星以及从黑洞周围的极热气体发射。

这些伽马射线飞过太空，偶尔与漂浮在恒星之间的氢相互作用。据信，伽马射线和氢原子核之间的相互作用产生被冰立方观测到的高能中微子类型。

研究人员已经验证了这一假设，发现它似乎是大致正确的。最高能量的伽马射线和高能中微子似乎正在来自太空中的相同位置。然而，证据不是确定性的。虽然天文学家能非常精确地确定伽马射线的起源，但他们没有取得中微子的相同精度。当在冰立方中检测到一个高能中微子时，中微子的原始旅行方向仅被以一个大约五度的精度确定。这足以在伽马射线源和中微子发射源之间建立一个粗略的共相关。

当研究人员用银河系中众所周知的伽马射线发射模式来预测高能中微子产生的预期速率时，他们发现检测到的中微子比预期的更多。这种差异已经引起了天文学家的注意，因为他们试图了解意外过量的高能中微子正在来自哪里。

新鲜的新眼光

科学史上充满了新的探测器能力已经导致一个我们周围宇宙的了解的提高的例子。随现在可利用来成像宇宙中微子的能力，天文学家希望更了解我们的银河系的秘密。未来，一个更大版本的冰立方------这个用十立方公里南极冰的------将在宇宙上提供一个甚至更大的窗口。

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