自20世纪60年代被发现以来,超高能量宇宙射线一直吸引着科学家,他们想知道这些射线从何而来。就像所有的宇宙射线一样,可以说它们的名字是错误的:它们不是辐射的“射线”,而是亚原子粒子,比如质子,甚至整个原子核,在空间中快速移动。这种超高能量来自于超高速,接近于光本身的速度。

要想被认为是“超高”的,宇宙射线必须能携带的动能是十亿电子伏特的量级,或1000千伏电子伏特(PeV)——大约是在键盘上敲出一个字符所需能量的百分之一。将如此多的能量压缩到一个比尘埃还要小一万亿倍的微小物体中,远远超过了人类加速器的能力,而人类加速器在最好的情况下只能产生一只小昆虫能量的粒子。

一般的超高能量宇宙射线可能令人瞠目,少有的优等生研究人员观察到的是真正令人惊讶的它携带的能量高达300倍——高达30万PeV。作为参考,这意味着从外太空飞驰而出的速度特别快的亚原子弹丸,其冲击力相当于一个打得好的网球。

天体物理学家还不知道究竟是什么使这些粒子加速到如此荒谬的速度,但他们迫切希望找到答案。唯一可信的罪魁祸首是真正的灾难性事件——如大质量恒星的爆炸死亡或银河系外超大质量黑洞的贪婪吞噬——这意味着这些非凡的粒子一定是来自银河系外空间深处的信使,携带着宇宙中一些最极端物理现象的秘密。

然而,有一个大问题。作为带电粒子,所有宇宙射线在传播过程中接触到的电磁场都会改变方向,因此几乎不可能追溯到它们真正的天体起源。幸运的是,研究人员发现,自然界提供了另一种前进的方式:研究中微子,这种电中性的粒子被认为与最高能量的宇宙射线本身产生于同一来源。

“我认为中微子是完美的信使粒子,”芝加哥大学的天体物理学家Abigail Vieregg说。“它们的独特之处在于,它们从宇宙中遥远的地方飞来,在来这里的路上没有与任何东西相互作用,也没有在磁场中弯曲。”

用中微子探测宇宙

一个普通的中微子有50%的几率毫发无损地穿过一光年长的铅(9.5万亿公里的高密度金属)。这种超远的距离让中微子比其他信使具有优势:因为它们很少与物质发生相互作用,中微子会直接指向它们来自的地方。但这是一把双刃剑。以透明的方式穿越宇宙的一个不可避免的后果是,中微子通常会以同样的方式穿过地球上的探测器——无影无踪。

为了增加看到中微子的几率,科学家们必须建造巨大的探测器,比如在南极进行冰立方实验它由一立方公里的南极冰层组成,上面安装了一系列光学传感器。作为世界上最大的中微子观测站,冰立方正在寻找中微子与冰中的分子碰撞时产生的带电粒子束所发出的闪光。2018年,冰立方报告一个巨大的耀斑中的中微子.就在今年2月,它还发现了证据来自恒星的中微子被黑洞撕裂

但在最高能量时,“冰立方会耗尽蒸汽,”Vieregg说,他指出,至少需要100立方公里的冰才能有合理的机会观测到超高能量中微子的光学轨迹,因为粒子加速到如此极端的速度是极其罕见的。问题在于探测单元之间的间距:光在冰中只能传播几十米,然后散射或被吸收,因此光学阵列必须密集排列,严格限制了可实现的探测器尺寸。

因此,超高能粒子的来源仍然没有被发现,因为一个100立方公里的冰立方式天文台远远超出了技术和财政可行性的界限。在观测第一个超高中微子的过程中,天体物理学家转而把注意力转移到更经济的射电探测方法上。无线电波在冰中传播的距离比光波要远数百米,因此可以建造一个更稀疏的探测单元阵列,以覆盖更大的体积,而成本仅为光波的一小部分。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家托尼娅·文特斯说:“无线电是未来的发展方向。”“我认为它是一个互补的探测器,有潜力做我们发现的其他探测技术非常具有挑战性的事情。”

中微子射电辐射

在像冰这样的物质中,带电粒子束的射电发射甚至比超高能量下的光学信号还要强烈,这使它成为探索极端宇宙的诱人探测器。这种现象被称为阿斯卡良效应,以俄罗斯亚美尼亚物理学家古尔根·阿斯卡良命名,他在1962年首次预测了这种现象。

但早期观察阿斯卡良效应的尝试被证明是失败的,导致人们普遍怀疑它能否用于超高能量粒子探测。夏威夷大学Mānoa的天体物理学家彼得·戈勒姆(Peter Gorham)说:“对于这是否是一种真实的效应存在很多疑问。”“没有多少高能粒子物理学家认真对待这个问题。”

尽管如此,一个人数不多但坚韧不拔的物理学家团队坚持了下来,并在2000年达到了这个领域的转折点,当时他们在斯坦福线性加速器中心(SLAC)的一辆拖车后面证实了阿斯卡良效应。

现在,距离阿斯卡扬的预测已经过去了近60年,无线电领域的中微子探测才刚刚起步。“可能出现的新物理结果甚至是我们无法想象的,”曾是SLAC团队成员的Gorham说。“我们将了解宇宙加速器的本质,并观察我们无法通过其他方式进入的能量空间区域。”

下一代广播工作

由夏威夷大学Mānoa的Gorham领导,中微子射电天文学的先驱工作是ANITA(南极脉冲瞬变天线),它于2006年开始收集数据。安妮塔由一组悬挂在一个巨大氦气球下的逐步更新的天线组成,在10年的时间里进行了四次大约一个月的观测活动,每次都飞到几公里高的空中,扫描南极冰盖下面的超高能量中微子撞击的无线电发射迹象。

今年1月,美国宇航局资助了超高能有效载荷观测(PUEO),这是一个下一代实验,将建立在安妮塔的传统基础上。它们的高空视角使得像ANITA和PUEO这样的气球探测器比地面实验具有独特的优势,因为它们可以在中微子搜索中监测超过100万平方公里的冰层。PUEO预计在2024年进行首次飞行,它将在ANITA之上融合多项技术进步,以提高对更多能量的敏感性,以及更高的中微子事件率。

但是,气球搜索所吹嘘的扩大的视野被这样一个事实所抵消:正是因为天线阵列在冰面上方飞行得太远,它们可能无法看到较弱的中微子信号发出的无线电信号。另一个不利因素是恶劣天气的现实:恶劣的天气条件对在南极冰盖上进行任何形式的气球作业都是经常性的干扰。为了解决这些问题,天体物理学家们采取了一种“两全其美”的方法,在大量的冰中创造出新的无线电阵列,然后与气球载实验协同工作,以获得更大的能量覆盖范围。在一系列较小的努力之前,研究人员正在为在格陵兰岛安装无线电中微子天文台(RNO-G)做准备,这是芝加哥大学领导的一个冰中实验。

参与该天文台建设的宾夕法尼亚州立大学天体物理学家斯蒂芬妮·威塞尔(Stephanie Wissel)说:“RNO-G将是有史以来在冰上建造的最大的无线电探测器,在未来三年内将安装35个天线站。”许多研究人员乐观地认为,RNO-G很快就能首次探测到超高中微子,从而对极端宇宙进行初步观察。

但如果不能,冰内无线电阵列的概念将被扩大用于冰立方的后续计划,冰立方gen2,将有200个天线站围绕一个增强的光学系统。“冰立方可以看到高达10倍电子伏特的中微子。但如果加入无线电组件,这个数字将会上升到数千甚至数十万,”Vieregg说,他是PUEO和RNO-G的首席研究员。这种扩大的能量覆盖范围只占IceCube-Gen2总预算的10%,这对无线电探测的成本效益是一个令人印象深刻的认可。

一种更新颖的探测策略是寻找来自空气中的带电粒子束而不是冰的无线电波。前者是由于中微子在接近地球表面的地下相互作用的结果:在适当的条件下,这些掠过地球的中微子可以产生高能粒子,逃逸到大气中,衰变成广泛的、发射无线电的空气雨。

这就是“中微子探测巨型射电阵列”(简称grandi)的策略——这是对一个规模巨大的实验的恰当命名。由法国、中国、荷兰和巴西的研究机构组织和资助的国际GRAND合作组织,希望通过一项雄心勃勃的计划来发现超高能量宇宙射线的起源,该计划提出了一个20万平方公里的无线电阵列(即一个大约内布拉斯加州大小的阵列)。

哥本哈根大学的天体物理学家毛里西奥·布斯塔曼特(Mauricio Bustamante)是GRAND提案的合著者之一,他说:“这个想法不是建立一个单一的阵列,而是建立20个阵列,每个阵列有1万根天线。”他解释说,这些阵列的位置很重要,因为它们需要在“无线电静默”区域——远离显著无线电辐射的人造源。迄今为止,GRAND已经在中亚天山山脉找到了一些偏远的地点,并计划在世界各地寻找其他地点。

随着各种各样的下一代无线电实验即将进行,天体物理界正讨论着在自然界最具活力、最难以捉摸的信使之一最终被发现后,未来可能会发生什么。“我非常期待第一个超高能量中微子的发现,”威塞尔说。“我不确定哪个实验会率先做到这一点,但它将为宇宙打开一扇新的窗口,有很多发现的潜力。”

对于熟悉这一领域历史的科学家来说,探索新的宇宙边界是对过去的颂歌:通过研究什么粒子来自天空,物理学在20世纪蓬勃发展。布斯塔曼特说:“当我们想要找出比我们自己的机器所能告诉我们的更多的东西时,这是一种自然的事态发展,我们再次回到宇宙加速器。”“这就是研究宇宙中能量最高的粒子的全部目的。”