用中微子看到黑洞

天星健

中微子天文学在媒体上受到的关注要少得多。事实上，它所依赖的粒子难以捉摸，然而绘制中微子天空图肯定会解开其他方法无法获得的秘密。

中微子是电中性的，质量比电子小得多。极低质量的中微子意味着它们往往以非常接近光速的速度行进。中微子只能通过弱核力和引力相互作用，这使得它们非常非常难以被发现。作为参考，如果你想用铅墙阻止低能中微子，墙的厚度需要一光年。所以我们可以看到做中微子天文学是多么具有挑战性：中微子相互作用的概率很小，其中大多数直接穿过探测器。

虽然概率很小但不为零，如果有足够多的中微子，我们就会得到足够的相互作用。太空确实会有大量中微子，到目前为止，天空中最亮的中微子源是太阳。它在其核心的聚变反应中每秒产生 10^38个中微子。它们向各个方向扩散，因此每秒有100万亿个直接穿过我们的身体。

为了有机会捕捉到中微子，我们需要一个大探测器，而目前最大的中微子探测器之一是IceCube，这是南极一立方公里的冰。当中微子穿过冰块的冰时，百万分之一的中微子通过弱力与水分子相互作用。对于高能中微子，相互作用是与原子核的相互作用，这种相互作用可以将中微子转变为它的高质量轻子对应物——电子、μ子或τ子。

如果中微子变成τ粒子，那么它几乎会立即衰变。但电子或μ子会继续穿过冰，并在与其他带电粒子相互作用时发光。这看起来就像是尾随粒子的蓝色光锥，因为轻子的行进速度比介质中的光速快。这就是切伦科夫辐射，它是我们检测中微子的一种方式。实际的探测器是灵敏的光电倍增管，基本上是将极其灵敏的光探测器悬挂在深钻孔中。由5000多个光电倍增管组成的网格横跨一立方公里的冰。

通过这种方式，IceCube可以看到来自中微子产生电子和μ子时的切伦科夫辐射。但其实真正有用的是μ子，电子与水分子的相互作用非常强烈，因此立即开始弹跳，导致在它们的产生点附近形成切伦科夫气泡。而μ子可以在不改变路线的情况下行进数公里，因此它们的切伦科夫锥体沿着原始中微子路径的方向描绘出一条直线。通过这种方式，就有可能找出中微子在天空中的来源。如果中微子足够多，甚至可以构建出相当模糊的图像。

但为了让IceCube拍摄出天空的中微子照片的，我们还需要解决一件事。事实证明，我们的中微子环境非常复杂。太阳产生了大量的中微子，但这些算是比较容易区分，因为它们来自太阳的方向。更具挑战性的是大气中的粒子，当宇宙射线撞击我们大气中的分子时，会产生许多不同的粒子，其中就有μ子和中微子。因此，为了收集特定方向的中微子，我们必须先把环境的中微子背景描绘出来，这花了我们十年的时间。

如图所示，这是IceCube自2011年开始运行以来制作的天空中微子图。我们可以看到有一个存在大量中微子的地方，它虽然只比宇宙射线预期在大气中产生的中微子多出大约50个，但科学家认为它明显是存在于太空中的东西。那这会是什么产生的中微子呢？

这个地方是所谓的鲸鱼座，包含了许多非常遥远的星系，但只有一个东西可能是中微子的来源。它就是M77，也被称为NGC 1068，是一个棒旋星系，距离我们4700万光年。

一个普通的星系不应该产生那么多的中微子，但 M77并不普通，它的核心隐藏着一个可怕的怪物。与大多数星系一样，其核心有一个超大质量黑洞，其大小约为1000万个太阳质量。但与大多数星系不同，M77的超大质量黑洞并不安静，它目前处于进食阶段。

M77拥有我们所说的活动星系核，最强大的活动星系核被称为类星体，它们发出的光芒整个宇宙都能看见。但M77并没有那么强大，它的吸积盘的光被核心周围的一圈尘埃和气体所隐藏。作为距离我们银河系最近的活动星系核之一，M77成为中微子来源的主要候选者。



我们要大量研究中微子与这些超大质量黑洞的关系，最终我们就可以从其他高能环境产生的中微子中了解更多宇宙的信息，这些高能环境包括超新星爆发、碰撞的中子星和黑洞撕裂恒星时的潮汐破坏事件等。为了实现这一切，我们需要更大、更灵敏的中微子观测站。已经有计划提高 IceCubes 探测器的灵敏度，并将其扩大到整整10立方公里，这会将探测率大约提高10 倍。