自從 20 世紀 50 年代物理學家首次夢想著用中微子進行天文學研究以來，聖盃一直是觀察太陽系以外第一個發出這些幽靈粒子的物體。1987 年，從附近的一顆超新星中收集到了一些，但這只是一個罕見的事件，而且進行探測的儀器幾乎不能算是望遠鏡；它們幾乎無法分辨上下左右。
七月釋出的 三篇論文（兩篇在《科學》雜誌上，一篇在預印本伺服器 arXiv 上）宣佈了這項 60 年探索的最終成果。冰立方，一個由南極深層冰川冰製成的奇特望遠鏡，探測到了來自遙遠、明亮星系的中微子。
中微子幾乎沒有質量，並且以接近光速的速度在太空中飛行。它的暱稱“幽靈粒子”表明它很少與任何形式的物質相互作用，因此極其難以探測。與光子（光粒子）一樣，中微子不帶電荷，因此不會被電磁場偏轉：它的到達方向將直接指向其來源。然而，與光子不同，它可以像子彈穿過霧一樣輕鬆地穿過行星、恆星、星系、星際塵埃面紗，因此可以為我們帶來來自光線不透明區域、宇宙邊緣和最早時期的訊息。
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最新的發現代表了科學家第二次——繼近乎奇蹟般的超新星之後——識別出來自同一河外物體的中微子和光。它還為長期存在的謎團提供了一個線索，即被稱為宇宙射線的帶電粒子（不斷從太空轟擊我們的星球）是如何加速到有史以來觀測到的最高能量的。“這令人難以置信地興奮，也是我們一直以來對中微子探測器的期望，”英國利茲大學的宇宙射線物理學家艾倫·沃森說，他沒有參與這些研究。
美國宇航局的費米（左上）取得了一項新的第一——將遙遠星系中的一個巨型黑洞識別為冰立方中微子天文臺（感測器串，底部）觀測到的高能中微子的來源。 來源：NASA，費米和奧羅爾·西蒙內特和索諾瑪州立大學
冰中的天文臺
冰立方可以分辨出某些中微子的方向，精度優於四分之一度。它由十億噸清澈如鑽石般的南極冰組成，深約兩公里，由 5000 多個光探測器監測。2013 年，它探測到首批來自大氣層以外的高能中微子。但這一突破並不完全令人滿意，因為這些中微子均勻地從天空傾瀉而下：沒有跡象表明可能發出它們的特定物體——沒有“點源”。
去年九月，冰立方探測到一個攜帶能量約為最強大人造加速器可能產生的任何粒子能量 20 倍的中微子。這意味著它很可能來自外太空。該儀器廣播了自動警報。
冰立方的警報引起了天文學家的極大興趣，因為中微子代表了新生領域 多信使天文學 中的第三支箭。天體物理學家長期以來一直夢想著使用光以外的信使來揭示宇宙中許多深不可測的奇蹟的內在運作。而這個夢想在一個月前才成為現實，當時三個引力波天文臺探測到兩顆中子星的合併，光學望遠鏡將該合併與伽馬射線暴聯絡起來：一種最強烈的光的短暫閃光。然而，沒有觀測到中微子。
德克薩斯州看到的耀變體
在冰立方發出警報幾天後，在廣島大學運營的光學/近紅外望遠鏡卡納塔（日語意為“遙遠”）工作的天文學家田中康之意識到，中微子指向的方向與已知的 耀變體 TXS 0506+056 相差不到十分之二度，該耀變體是四十年前由德克薩斯州的一臺射電望遠鏡首次觀測到的。
耀變體是天文動物園中最猛烈的生物之一：巨大的橢圓星系，其核心是快速旋轉的超大質量黑洞，它們吞噬附近的恆星和其他物質，形成某種持續的宇宙地震，並從其南北兩極發出雷射束般的光和其他粒子。耀變體與其他具有所謂活動星系核的星系的區別在於，其中一個噴流指向地球方向，使這些物體極其明亮。耀變體偶爾會爆發，在幾分鐘到幾年的時間內亮度增加 10 倍或更多。由於它們具有如此災難性的性質，併發出非常高能的伽馬射線，長期以來人們一直懷疑它們不僅會發出高能中微子，還會發出神秘的超高能宇宙射線。
田中還在費米伽馬射線太空望遠鏡上工作，該望遠鏡已經對整個伽馬射線天空進行了大約 10 年的每三小時一次的成像。透過搜尋其目錄，他發現 TXS 從去年四月開始爆發。他發出了第二次警報，鼓勵“對該源進行觀測”，涵蓋整個光譜。
TXS 在那一刻之前在 4000 個左右已知的耀變體中並沒有脫穎而出，因此人們對它知之甚少——甚至不知道它有多遠。在田中發出警報後的興奮中，天文學界彌補了失去的時間。一個小組確定 TXS 距離地球約 45 億光年。這使其成為宇宙中最明亮的物體之一。
在田中發出警報六天後，位於拉帕爾馬加那利群島的大氣伽馬成像切倫科夫望遠鏡 MAGIC 的操作員宣佈觀測到來自 TXS 的極高能伽馬射線。由於 MAGIC 的觀測能量更高，角解析度比費米更好，因此這一發現加強了與中微子的聯絡——但還不夠。在最近的論文中，冰立方和隨後跟進其警報的 15 個合作組織得出結論，單箇中微子和耀變體爆發之間在方向和時間上的巧合僅僅是巧合的可能性約為千分之一。在這一行中，你需要三百萬分之一的機會才能聲稱發現。
但冰立方首席研究員、威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家弗朗西斯·哈爾岑指出，這個問題的科學意義不僅僅在於統計資料。他引用了偉大的實驗家歐內斯特·盧瑟福的話：“如果你的實驗需要統計學家，你需要一個更好的實驗，”並補充說，“我們做到了。”
回顧過去
冰立方的點源小組由斯德哥爾摩大學的天體物理學家查德·芬利領導，他們查看了實驗的歷史資料，發現冰立方在 2014 年 10 月開始的四個月期間探測到來自 TXS 的壯觀的“中微子爆發”——總共約 13 個粒子。然而，令人困惑的是，費米沒有觀察到相應的伽馬射線爆發。
另一位冰立方成員，慕尼黑工業大學的天體物理學家 Elisa Resconi，召集了一個小組進行更仔細的調查。他們綜合了所有關於 TXS 的觀測結果，發現它實際上在 2014 年爆發了伽馬射線，但方式很微妙。雖然它總體上沒有發出更多的伽馬射線能量，但它的光譜在發生中微子爆發時恰好轉向了更高能量的伽馬射線。光學和中微子光譜的形狀在兩次爆發期間以互補的方式發生變化。“這一切都吻合，”沃森說，“我相信整個故事，但我花了三篇論文才說服我。這是任何來源中強子成分[由夸克組成的粒子]加速的第一個令人信服的直接證據。”
基本粒子物理學表明，這些中微子只能由強子產生，強子主要是在耀變體噴流中出現並與其他粒子（包括光子）碰撞的質子。由於轟擊地球的宇宙射線主要由質子和較重的原子核組成，因此現在耀變體已被證明會產生高能中微子這一簡單事實是超高能宇宙射線可能來源的第一個可靠線索。難以確定宇宙射線來源的原因是它們帶有電荷，因此它們的軌跡會被星際磁場彎曲，並且它們的到達方向不會指向它們的起源。由於冰立方探測到的中微子一定是沿直線傳播的，並且一定是強子產生的，因此它們表明高能強子一定是從同一耀變體源發射出來的。
關於耀變體中微子發射的各種模型，在幸福的理論孤立中發展起來，現在已經與真實資料進行了首次接觸，但沒有一個模型可以解釋所看到的具體細節。以色列魏茨曼科學研究所的理論家埃利·瓦克斯曼認為，這些模型“將需要進行徹底的修改”。
這一發現也為新興的中微子天文學領域注入了一劑強心劑。瓦克斯曼和沃森現在都渴望下一代儀器。冰立方合作組織已經提出了一個升級方案，有望將靈敏度提高一個數量級，並且計劃在地中海和西伯利亞貝加爾湖部署類似的儀器。
與此同時，這個非凡的望遠鏡繼續在其深邃冰冷的住所中觀測中微子天空。冰立方几乎肯定會帶來更多驚喜。