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诺奖再度垂青天文!他用南极冰层,开创了中微子天文学

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来源: https://www.universetoday.com/articles/the-sun-may-have-swallowed-a-planet

编译:胡榕翙

校对:牧夫天文校对组

责任编辑:王启儒

北京时间10月6日,2026年诺贝尔物理学奖揭晓。瑞典皇家科学院将这一殊荣授予弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),以表彰他“对冰立方中微子天文台的决定性贡献,以及发现天体物理起源的高能中微子”。

弗朗西斯·哈尔岑是威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家。30多年前,他提出了利用南极数千米厚的纯净冰层探测宇宙高能中微子的构想,并在此后数十年间主导了该项目的建设与运行。

中微子是什么?

中微子是一种基本粒子,质量极小,不带电荷,几乎不与任何物质发生反应。它们产生于宇宙中各种极端物理过程,比如恒星内部的核反应、超新星爆发、黑洞周围的活动等。每秒钟有数万亿个中微子穿过地球,但绝大多数不会留下任何痕迹。


南极中微子观测站概念图

图片来源:中科院物理所

在他之前,天文学面临什么问题?

传统天文学靠观测光,比如可见光、射电波、X射线、伽马射线。但宇宙中很多最剧烈的过程发生在被尘埃和辐射遮住的地方,光根本穿不出来。而且光在传播过程中会被磁场偏转,被空间里的物质吸收或挡住,到达地球时已经丢失了源头方向的信息。所以,宇宙中能量最高的那些过程,长期以来没法被直接观测。

中微子没有这些问题。它们不带电荷,不受磁场影响,也不会被星际物质吸收或偏转,能从宇宙深处直线到达地球,带着源头最直接的信息。但难点在于,中微子太难探测了,它们几乎不跟物质反应,要捕捉它们,需要极其巨大的探测体积和极低的背景噪声。

他是如何解决这个问题的?

哈尔岑的方案是利用南极冰层。南极冰盖纯净透明、地质稳定,数千米厚的冰层本身就是巨大的探测介质。他主导建设的“冰立方”(IceCube)中微子天文台,在南极冰层下1450米至2450米深处,部署了5160个光传感器,覆盖了1立方公里的体积。当极少数中微子与冰原子发生碰撞并产生微弱蓝光时,探测器就能记录下来,并重建它的来源方向。


南极中微子观测站观测理论图

图片来源:维基百科

这项研究未来有什么意义?

冰立方建成后,哈尔岑团队取得了一系列核心成果:2013年首次捕捉到来自太阳系之外的高能中微子,宣告中微子天文学诞生;2018年探测到一个高能中微子并发出预警,随后确认它来自一颗剧烈爆发的耀变体,这是人类首次将高能中微子与具体天体对应起来;2022年在活跃星系NGC 1068中发现了中微子发射证据;2023年首次用中微子数据绘制了银河系图像;2026年在最新分析中识别出深空高能中微子能谱在约30TeV处存在一个明显的强度峰值。

这些发现让人类多了一种观测宇宙的方式。目前的数据显示,银河系中只有约10%的高能中微子来自自身,其余约90%来自河外星系。冰立方正在进行升级,未来将捕捉更微弱的中微子信号,帮助人类进一步了解遥远星系中黑洞和粒子加速过程的活动。诺奖的加冕,是对中微子天文学这一全新领域的最高肯定。


南极中微子观测站

图片来源:维基百科

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号:astronomycn


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