當(dāng)我們抬頭仰望星空時，那條朦朧的銀河光帶，總是令人敬畏。過去，我們已經(jīng)通過不同頻率的光波，看見了多面的銀河系。但現(xiàn)在，位于南極洲的冰立方中微子天文臺第一次利用中微子，繪制出了銀河系的全新圖像。

銀河系的四幅圖片，前三幅來自射電、可見光和伽馬射線，第四幅是銀河系的第一張中微子圖。（圖/IceCube Collaboration）

在新發(fā)表于《科學(xué)》雜志上的一項研究中，由350多名科學(xué)家組成的冰立方國際合作組，為銀河系內(nèi)的高能中微子發(fā)射帶來了證據(jù)。

  幽靈粒子  

中微子是一種幾乎沒有質(zhì)量、難以捕捉的“幽靈粒子”。與光和引力波一樣，中微子也是宇宙的“信使”，它們都能為天文學(xué)家?guī)碡S富的宇宙信息。

在宇宙中的一些極端環(huán)境下，比如大質(zhì)量黑洞的周圍，會產(chǎn)生高能中微子，這些中微子能量要比在恒星內(nèi)部聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中微子的能量高出數(shù)百到數(shù)十億倍。

除了高能中微子之外，這種極端環(huán)境還能產(chǎn)生另一種高能粒子——宇宙線。然而，高能宇宙線的起源非常難確定，因為宇宙線是帶電的，這意味著它們在太空中的傳播路徑會被磁場打亂。因此當(dāng)它們到達(dá)地球時，天文學(xué)家無從推測它們來自何方。

與宇宙線不同的是，中微子是電中性的，所以它們會以直線的方式不受阻礙地穿越空間和物質(zhì)。因此，假如我們能夠探測到中微子到達(dá)地球的路徑，就能推測出產(chǎn)生了中微子的地方。

但是，要探測這些中微子并非易事。

位于南極洲的冰立方中微子天文臺。（圖/IceCube Collaboration）

  尋找閃光  

冰立方中微子天文臺是一臺“奇怪”的望遠(yuǎn)鏡。它由埋在南極一立方千米冰層中的5000多個光傳感器組成，主要目標(biāo)就是尋找來自銀河系和宇宙最深處的高能中微子的跡象。

每時每刻，都有海量的中微子在穿過地球，但只有極一小部分在穿過地球的途中撞上了某些東西。每當(dāng)發(fā)生這樣的中微子相互作用時，都能產(chǎn)生微小的閃光，而這些閃光正是冰立方的傳感器所要尋找的信號。通過探測到的光的數(shù)量和模式，研究人員就可以確定中微子的方向和能量，進(jìn)而利用能量和方向來找出中微子的起源。

然而， 要在冰立方的傳感器上識別出由中微子相互作用產(chǎn)生的閃光，是件相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的事。冰立方每秒記錄約2600個事件，但這些事件大多來自高能宇宙線，它們在撞擊地球大氣層時，會穩(wěn)定地產(chǎn)生中微子。在每年觀測到的幾十萬個中微子中，只有幾百個來自銀河系內(nèi)或銀河系外。

在此之前，冰立方的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩個高能中微子源，都來自銀河系之外。其中一個源頭來自黑洞撕碎伴星，另一個則來自耀變體。這些中微子距離我們非常遙遠(yuǎn)，但能量比銀河系內(nèi)的任何中微子都要高。圖中顯示的是耀變體，它會加速質(zhì)子（p），進(jìn)而產(chǎn)生π介子，而π介子又會產(chǎn)生中微子（ν）和伽瑪射線。圖中的藍(lán)色線條代表了中微子的傳播路徑，穿過了南極洲；而伽瑪射線的路徑由粉色線條表示。（圖/IceCube/NASA）

不過，科學(xué)家們可以通過一些技巧，從宇宙線中微子和其他宇宙線噪聲中過濾出來自外太空的中微子。他們可以根據(jù)能量進(jìn)行分類，更高能的中微子更有可能來自外太空。另外，他們還可以尋找中微子群，因為來自銀河系外的中微子往往傾向于聚集在一個地方。最后，研究人員可以從已被其他望遠(yuǎn)鏡探測到的黑洞等暫現(xiàn)天體物理事件中尋找中微子。

  藍(lán)色畫面  

在新研究中，研究人員通過將10年來探測到的6萬多個中微子數(shù)據(jù)輸入到機器學(xué)習(xí)算法中，構(gòu)建出了一幅令人驚嘆的畫面：飄渺、朦朧的藍(lán)色光芒，向我們顯示了銀河系中的中微子來源。

科學(xué)家認(rèn)為，宇宙線與星際氣體和塵埃之間的相互作用，會不可避免的產(chǎn)生伽馬射線和中微子；而從這張圖像來看，絕大多數(shù)中微子都產(chǎn)生于先前檢測到了大量伽馬射線的區(qū)域，這證實了科學(xué)家先前的想法。

這樣的結(jié)果讓物理學(xué)家們肅然起敬。此時此刻，我們是人類歷史上第一批以光以外的方式看到銀河系的人。