埋在南極冰原下，佔地一平方公里，科學家終於探測到“神秘訊號”
來自地底深處的神秘訊號
地球南極
，這是世界上最寒冷的地區，這裡人煙罕至，動物稀少，到處都是冰川積雪。嚴寒帶來的影響使得這兒幾乎沒有人類居住，不過作為科考地點來說，再合適不過了。沒有其他人的干擾，這裡是
地球上最後的一片淨土
。
位於南極冰原之下，一場實驗正在悄然進行
。隨著
神秘訊號
的探測破譯，這場實驗宣佈結束。而這次的結果令科學家們激動不已，該神秘訊號是人類首次
直接探測到
高能天體物理的中微子
。
從衛星圖的佈局來看，
這個實驗場所佔地面積為一平方公里
，但是這個實驗臺和以往的還有所不同，它還
需要去立體地觀察才有原本的樣貌
。
冰立方中微子天文臺簡稱
“冰立方”
，是中微子天文臺建造在南極洲阿蒙森-斯科特南極站，整個專案是
歐洲最大的粒子物理實驗室
。它的前身則是
南極繆子和中微子探測器陣列AMANDA（阿曼達）
。
冰立方中微子天文臺
阿曼達由光學模組組成，每個模組包含一個
光電倍增管
，沉入南極冰蓋深度
1500米~1900米
。由光學模組組成的陣列安裝在單獨的字串上，這些字串則分佈在一個直徑200米的圓中。
透過將熱水軟管在冰層中鑽孔，將帶有光學模組的電纜沉入其中，再讓冰凍結，從而達到固定效果
。
阿曼達能夠探測到能量非常高的中微子，大約在500億電子伏特（50+GeV），這些中微子
從北半球穿過地球，然後在它們穿過南極冰層時會發生反應
。
阿蒙森—斯科特站
相互作用下的氧或氫原子核透過與周圍水冰中包含的繆子和強子簇射。阿曼達的光學模組則是用來
檢測這些粒子背後形成的契倫科夫輻射
，透過分析光子的撞擊時間，以此可以
大致判定原始中微子的方向
。
初次所見
2005年，阿曼達正式成為後續專案，也就是冰立方專案的天文臺。
阿曼達在後續的更新中進行了迭代處理，有了更多的光學模組
，冰立方在2010年12月18日竣工。
光電倍增管
冰立方與前身阿曼達類似，冰立方是
由數字光學模組的球形光學感測器組成
，每個感測器也都帶有一個光電倍增管和一個單板資料採集計算機，這些計算機會將收集到的資料傳送到陣列上方表面的計數室。
2013年11月，
冰立方宣佈探測到的
28個訊號源可能來自於太陽系
，在此之前，科學家一直認為這些中微子訊號來自地球內部，或者是太陽訊號傳遞在地上，由於地球磁場影響所產生的變化。
太陽系
隨著冰立方這些年的不斷升級，能夠探測的訊號資料越來越多。2018年，冰立方中微子天文臺宣佈它們追蹤到往期的神秘訊號。而這個神秘訊號正是
超高能中微子
，它的起源則在TXS 0506 +056（簡稱德克薩斯）。
“德克薩斯”位於57億光年外的獵戶座，這是
科學家首次使用中微子探測器定位空間中的物體，這一發現使得宇宙射線可以被識別出來
。
獵戶座
“德克薩斯”
是一個非常高能的耀變體，其型別為BL Lac天體，它的顯著特徵是
快速和大幅度的通量變化
，以及顯著的光振偏。同時“德克薩斯”是
第一個已知高能天體物理中微子
，此前被觀測到的唯一天文來源是太陽和超新星1987A。
“德克薩斯”被正式命名前，其訊號發現是在2017年9月22日。冰立方天文臺探測到了一個
高能繆子介子中微子
，並將其命名為IceCube-170922A。
超新星1987A概念圖
當前
大型強子對撞機最多可以產生13兆電子伏特的能量，但這個訊號的能量高達290兆電子伏特
。整個探測過程結束後的一分鐘，冰立方向全球天文學家傳送了自動警報，同時附上座標以尋找可能的來源。
經過對相關寬域的天空區域進行搜尋後，科學家
只發現了一個可能的來源，這便是“德克薩斯”
，該名字也是來源於其常用的電訊號頻道。
不過它並不是第一次出現在科學家們的眼前，
很早之前這個耀變體就被發現過了
，並且當時處於高伽馬射線發射的狀態。科學家們記錄下來了這個耀變體的電磁光譜，包括
無線電訊號、紅外線、X射線、伽馬射線
等。
冰立方封存的中微子存檔資料中搜索發現，2014年至2015年早期低能中微子耀斑的預發現形式，
這個發現支援了將耀變體確定為中微子的來源
。
隨後在幾年的觀測中，冰立方的對其中微子在低伽馬射線通量中的發現，表明
“德克薩斯”可能是一個非典型耀變體
。2020年，另一個使用MASTER全球望遠鏡網路的專案裡發現，當初在冰立方發出警報後的一分鐘，“德克薩斯”的光譜處在關閉狀態，2小時之後重新開啟，這也證實了
該耀變體處於中微子效率狀態
。
宇宙射線
超越觀察的觀察
為什麼說中微子的發現讓不少天文學家為之興奮？原因在於要觀察到這種運動實在是太難了，這可以說是
人類科學技術的另一個天花板
了。
關於中微子的研究早就不是什麼新鮮事，也不是什麼神秘事件，早在上世紀60年代就開始了相關研究，只不過
這次訊號的最初發現確實讓人迷惑
。
中微子
作為天文學中的一個分支，
中微子是某些放射性衰變、核反應或高能天體物理現象
，例如核反應堆或宇宙射線撞擊大氣中的原子而產生。
由於中微子是電中性輕子，很少和物質相互作用。但當它們與大氣中的水分子反應時，會產生帶點輕子，例如
電子、介子、陶斯
。假如這些
帶電輕子的能量足夠大，那麼它們可以發射契倫科夫輻射
。
不過中微子的相互作用即使發生了也會非常弱，因此探測這種訊號的裝置通常都會有非常大的質量，往往會有數千噸。探測器在探測過程中，還
必須具備遮蔽一些背景訊號的能力，不然會嚴重影響觀測效果
。
上世紀60年代，戴維斯和巴考爾就
探測到了第一個太陽中微子
。隨後一直到70年代、80年代，美國、蘇聯、日本都有不同程度的對中微子進行觀測研究。到了2002年，
戴維斯和小柴昌俊還共同獲得了當年的諾貝爾獎
。
地球接收訊號
進入21世紀後，蘇聯的杜曼專案衰落，
由此小組分支出去的三個分支分別對不同海域地區都建立了相關研究室
。經過數年間的建設觀測，這些實驗室逐漸升級，其中的一個望遠鏡專案便是今天的冰立方。
契倫科夫輻射反應的帶電粒子與水分子的反應效果，就像是水中輪船的船頭衝擊速度快於其穿過的波浪。冰立方所攜帶的光電倍增管可以檢測到這種變化，從而
構成其內部的數字光學模組資料
。
埋入南極冰層下方的探測器
來自冰立方里的單板資料採集計算機訊號被數字化之後，
透過電纜傳送到冰川表面
，這些訊號透過地面計數室收集，並
經由衛星向北傳送以進行進一步分析
。
由於中微子相互作用的罕見性，保持低背景訊號非常關鍵。也正是出於這個原因，
大多數中微子探測器都是在地底深處的岩石下方
，或者像南極的冰立方這樣，位處於水覆蓋層下去建造。
即便如此，仍然會有不少混雜訊號會不可避免地進入探測器，
大多數時候這種訊號都是帶有一定
“雜質”
的
。由此可見，探測證實一次中微子訊號有多難了吧。
不僅僅是觀察
要說觀察中微子是為什麼，整個關聯那真的就大了去了。
中微子這種來自深空的高能粒子，大多是宇宙中那些異常劇烈的高能過程產物
。
宇宙射線
這些猛烈的宇宙活動可能會使中微子攜帶它們的中心資訊，透過研究中微子的起點源可以
幫助科學家們解釋這些高能量宇宙射線的起源之謎
。
伽馬射線爆發和超新星遺蹟的中微子
起源難以捉摸
，冰立方探測到的資料能夠協同伽馬射線衛星一起使用。而冰立方的觀察表明，沒有與之相關的伽馬射線爆發的同時還會產生中微子，這種搜尋結果
將中微子控制在一個可觀測值裡
，將幫助科學家建立起一個更合理的宇宙空間。
暗能量
另外一個就是我們經常聽說的
暗能量
了，暗能量作為上世紀科學家提出來的一個神秘物質，它關乎著宇宙的終極命運。來自
宇宙深處的弱相互作用大質量粒子暗物質
，可以
被太陽聚集在太陽核心
。
當這些粒子的密度足夠高的時候，它們便會湮滅。湮滅衰變產生的
衰變物可能成為中微子
，而冰立方透過這種對太陽方向過量中微子的間接的搜尋，與直接搜尋相互作用的暗物質要更敏感。
中微子模擬圖
這次的發現不僅進一步實際觀測到了中微子，從遙遠地帶的耀變體中檢測到中微子的情況下，那些多波長的訊號被排除，
證實了耀變體是中微子的主要來源
。這樣的研究在未來還能
被補充進電磁學和引力觀測中，由此產生更多天文學分支
。
從整個天文學的研究來看，中微子的研究是本世紀最重要的研究課題之一。它能夠
揭示宇宙的起源
，對於中微子的觀察如今才剛剛起步。
宇宙未來的走向
如今中微子的研究已經不再像往常那樣神秘，不僅是歐洲、美國對其有著眾多的研究和相關課題。同樣在亞洲，關於中微子的觀測也在火熱地進行中。
亞洲較早研究中微子的是日本小柴昌俊的科研團隊
，日本的中微子探測設施埋藏於地下，並修建了許多蓄“水”池。這些“水池”同樣也是分析中微子訊號的主要檢測源，而
資料收集手段無一例外的是光電倍增管
。
超級神岡
進入21世紀的日本，在中微子研究方面取得重要進展後，日本政府也隨即
進行了更多支援，投入了更多財力
。超級神岡則是他們最新的“作品”。
由於我國的天文事業起步較晚，但好在隨著我國科技進步的發展，經濟增長突飛猛進。作為後起之秀，我國無論是天文學方面還是航空航天方面都取得了傲人的成績。
關於中微子的研究，我國也同樣在追趕進度
，自大亞灣第一代中微子實驗裝置退役後，新的
江門中微子實驗裝置已經順利執行
。
江門中微子實驗
相信在未來，
人類透過共同合作和努力，將會在宇宙起源上得到更多認識
，這對於我們來講，能夠認識到宇宙一切事物的終極變化和走向，則是極其幸運的，因為我們所處的時代正在
朝著宇宙深處加速前進
。
