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以南極冰層偵測宇宙訊號:「冰立方」讓高能微中子天文學曙光乍現

科學月刊_96
・2018/11/20 ・3274字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 金升光/任職於中央研究院天文及天文物理研究所。

微中子在所有已知的基本粒子中,可算是科學家最不了解的一種。

粒子物理標準模型裡的微中子只透過弱交互作用和其他粒子起反應,和光子一樣沒有靜止質量。電子、緲子(muon)、陶子(tauon)和分別對應這不同三代的微中子及它們的反粒子共同組成了輕子(lepton)家族。

喀擦,來個家族照吧。source:wikipedia

近年來,實驗證實微中子振盪的存在〔註一〕,電子微中子、緲子微中子與陶子微中子彼此之間可以相互轉換,顯示微中子靜止質量應該不等於零。然而,沒有人知道微中子的確切質量,也不確定微中子和它們的反粒子是否相同。另一方面,地球的大氣層持續受到高能量宇宙射線轟擊,主要成份包含質子和其他更重的原子核,這些帶電粒子受到銀河系與地球磁場的影響,很難去追蹤它們的來源。

微中子不帶電,不受磁場影響,還能輕易穿透星球的核心,是電磁波、重力波之外,天文物理學家夢寐以求的第三隻眼。然而,此特性卻也是微中子偵測的困難處,必須透過 10 公尺以上甚至公里等級的大型裝置才能捕捉分析少數來自外太空的微中子。多年的研究只確認太陽和超新星1987A發出的微中子,直到去(2017)年9月,位在南極的「冰立方(IceCube)」微中子天文台偵測到一顆高能微中子 IceCube-170922A,才露出一線曙光。

冰立方與高能微中子

基本粒子的質量和能量通常用電子伏特(eV)為單位。電子質量約 0.5 MeV;質子質量約 938 MeV,接近 1 GeV;目前估計微中子的質量約在 eV 數量級以下。太陽微中子的能量大部分處於 100 keV~1 MeV 量級之間;超新星微中子的能量能夠達到 10 MeV 的量級,爆發時的激震波有可能產生 TeV(1012 eV)級的高能微中子。

當年偵測到超新星的日本神岡偵測器,是個寬、高約16公尺的大水箱;後續建造的超級神岡微中子偵測器(Super-Kamiokande)則寬、高約40公尺。高速的微中子與水中的質子、電子等粒子碰撞產生高速的電子或正子。當帶電粒子運動速度超過水中的光速時,就像超音速戰機產生音爆,會發出契倫科夫輻射(Cherenkov radiation),由密布的光電管接收並偵測分析。

而冰立方則使用南極的冰層代替神岡的純水,86 條垂直的洞穴深入約 2450 公尺的冰層,在每個洞穴最底端的 1 公里處都布置 60 個 10 吋大的光電裝置(digital optical modules),含數位處理電腦,將之串成 1 串。相鄰洞穴間隔 125 公尺,總共 5160 個光電裝置在地底形成 1 個體積立方公里等級的 3 維陣列,是目前世界上最大的微中子偵測器之一。

IceCube的鑽孔設備大到要用全景才有機會完整拍攝。source:wikipedia

神岡測得的信號多半來自電子微中子。高能緲子微中子產生高速的緲子放出契倫科夫輻射,會在光電裝置陣列中留下明顯的軌跡,是冰立方主要的偵測目標之一。回溯分析緲子軌跡,反推微中子的入射方向,可達0.3°的準確度。

宇宙射線在大氣層中碰撞後產生的緲子或微中子數量可能是外太空信號的 10 萬倍或百萬倍,數公里厚的岩層或冰層則有助於降低雜訊。南極的偵測器對於來自北半球天空的信號比較靈敏,而且,大氣層產生的微中子有特定的能量分布,超過 100 TeV或 1 PeV(=1015eV=1000 TeV)多來自外太空,IceCube-170922A即為一例。分析冰立方所窺見的緲子能量(約24 TeV),估計這顆從地平線下入射的緲子微中子能量約 290 TeV。不到 1 分鐘,2016 年 4 月才啟用的即時自動警報系統隨即向全球網路 GCN∕AMON Notice〔註二〕發出通告。

這並不是系統頭一次發出類似的微中子警報。觀測網上的成員,包含位在地中海海底的微中子偵測器和地面或天上的望遠鏡,通常不是沒看到特定目標,就是無法從眾多目標中辨別出真正的來源。直到 6 天後,NASA 的費米太空望遠鏡團隊 Fermi-LAT 透過《天文電報》(Astronomers Telegram)報告他們的分析,指出 1 顆已知的「耀變體(blazar)」TXS 0506+056 正處於活躍期(亮度增加 6 倍),和冰立方估計的方位相符,接續的多波段觀測進一步支持這個結論。

通過費米太空望遠鏡在伽馬射線(能量大於1 GeV)中觀察到的TXS 0506 + 056的位置。source:wikipedia

包括上千位共同作者的綜合研究報告和相關論文在今(2018)年7月13日正式刊出。冰立方計畫的主要資助者美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)照例先在華府召開記者會,此間各媒體多有轉述報導。依照 2004 年美國國家科學院報告中的估算,總建造經費含開辦費用應該超過 2億 5000 萬美元。

高能宇宙射線與「耀變體」

人造的加速器還沒有能力產生 PeV 甚至 EeV(1018 eV)的高能粒子束,宇宙射線卻可以。許多可能的天文物理機制和可疑的天體,像是伽瑪射線爆(GRB)、超新星殘骸(SNR)、波霎、黑洞雙星和活躍星系核(AGN)等都是熱門的候選者。

某些理論認為,產生高能粒子的相同機制或相關環境也會伴隨產生能量等級相當的伽瑪射線。2008 年升空的費米太空望遠鏡觀測到的伽瑪射線源已經編成目錄定期追蹤,2015 年發表第三版,通稱「3GFL(the third Fermi Large Area Telescope source catalog)」,包含 3033 個伽瑪射線源和它們逐月的亮度變化,其中超過半數是活躍星系核,以耀變體為主。先前有研究將微中子信號和這些特定天體比對,不過都沒能成功確認微中子的來源。

耀變體(又稱為活耀星系核)是目前已觀測到的宇宙中最劇烈的天體活動現象之一,圖為模擬圖。source:wikipedia

粒子能量越高,受銀河系內磁場的偏轉影響越小。專門偵測高能宇宙線次級粒子射叢(shower,或稱簇射)的奧格天文台(Pierre Auger Observatory)團隊在去年發表論文指出,能量超過 8 EeV以上的超高能粒子應該是來自銀河系以外。8 EeV 接近 1.3 焦耳,也就是說,單單這一顆粒子的動能就足以抬高 1 公斤的物體離地 13 公分!理論上,宇宙射線(如質子)的能量如果太高,會和遍布的宇宙微波背景輻射光子產生反應,產生 GZK截止點(GZK cutoff),這是以提出此理論的 3 位科學家 Greisen、Zatsepin和Kuzmin 姓氏首字母來命名的宇宙射線能譜截止點。如果宇宙射線粒子是鐵原子核,此截止能量還會再高一點。

TXS 0506+056是3GFL目錄上亮度排名前 50 的耀變體,可見光星等約 15 等,不算是特別突出。耀變體是活躍星系核的一種,可參閱《科學月刊》527期〈類星體 50 年〉一文的介紹。原文 blazar 一詞是在 1979 年所提出,將「蠍虎天體(BL Lac objects)」和部份有亮度劇烈變化的類星體合稱,並寫在1980年天文與天文物理年度評論裡遂成為正式名詞。在TXS 0506+056非熱輻射的連續光譜中幾乎看不出任何譜線,無法確認它的距離,也不能計算真正的光度。透過加納利群島上口徑10.4公尺的望遠鏡(Gran Telescopio Canarias, GTC),最近終於辨認出幾條微弱的譜線,紅移0.3365,約相當於57億光年,這使得TXS 0506+056成為在此方圓之內光度最強的耀變體之一。

高能微中子天文學

活躍星系核、黑洞或中子星系統中的高能噴流,甚至一般吸積盤噴流的組成、構造和起源向來都是理論和觀測研究的焦點之一。高能微中子的存在意味著強子(可能是質子)加速及後續的碰撞與衰變過程,透露噴流的秘密。高能微中子的產生究竟是正比於伽瑪射線強度、伽瑪射線的變化、特高能(very high energy)伽瑪射線強度或另有其他,真正的關連仍有待釐清。

另一方面,縱使耀變體是高能微中子的來源,恐怕也只能解釋一部份偵測到的高能微中子。除持續累積觀測數據,提升多元訊息天文學(multi-messenger astronomy)多波段聯合觀測的效率,新一代的微中子偵測器KM3NeT、Hyper-Kamiokande、IceCube-Gen2可望能將高能微中子天文學,乃至於宇宙線、暗物質與基本粒子研究推展到新的境界。

  • 〔註一〕此項實驗獲得2015年諾貝爾物理獎。
  • 〔註二〕GCN/AMON Notice

延伸閱讀

  • IceCube Collaboration et al., Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A, Science, Vol. 361: eaat1378, 2018.

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年10月號〉

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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