高能宇宙射線究竟來自哪裡，科學家找到了答案！

冰立方（IceCube）天文台是全世界首屈一指的微中子偵測站，座落在南極洲阿曼森史考特南極站（Amundsen-Scott South Pole Station）下方冰層的深處。PHOTOGRAPH BY SVEN LIDSTROM, ICECUBE, NSF VIA THE NEW YORK TIMES

科學家在南極冰層下方1.6公里深的地方，偵測到了一道閃光，這項發現和一種幽靈般的次原子粒子──「微中子」有關，不但可能解決百年來的宇宙之謎，甚至將開啟天文學的新頁。

1900年代初期，物理學家維克多．赫斯（Victor Hess）發現地球不斷被來自外太空的高能粒子轟擊，我們現在將這種粒子稱為「宇宙射線」。從那以後，科學家就一直在尋覓──是什麼樣的天體能像超強大的粒子加速器一樣，將這些極高能量的粒子噴發到宇宙之中。

不過，大多數的宇宙射線都帶有電荷，而分散遍布整個太空的磁場會讓宇宙射線行進的路徑彎曲，因此科學家很難追隨宇宙射線的蹤跡，找到來源。這也就是為什麼目前科學家專注於搜尋微中子，這種粒子不帶電荷，也幾乎沒有質量，因此它們的路徑能成為我們追尋源頭的可靠指標。

位於南極洲的冰立方微中子天文台（IceCube Neutrino Observatory）是這項任務的領頭羊，和其他一些天文台一起偵測到一小部分宇宙中的高能微中子，研究結果顯示這些微中子來自非常遙遠的星系。這項發現讓天文學的新時代更添利器──想要研究解開宇宙奧秘不只可以靠光子，更可以靠粒子。

冰立方天文台首席科學家──威斯康辛大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的弗朗西斯．郝爾琛（Francis Halzen）表示：「我們終於逮到了宇宙的粒子加速器了，毫無疑問，這讓人太興奮了！」他們在7月12日出版的《科學》（Science）和《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）期刊發表了三篇論文，公布這項研究結果。

一起彈跳吧！

在這之前，科學家就發現了來自太陽和鄰近超新星殘骸的微中子，但兩者都沒有足夠的威力將最高能的宇宙粒子拋射到地球上。

由於微中子和其他類型的物質發生的交互作用非常微弱，因此光是要偵測到微中子就是件不簡單的任務。現在就有數以兆計的太陽微中子正在經過你的身體。阿曼森史考特南極站下方的冰立方天文台有一立方公里的冰塊，利用5160個光偵測器來探測宇宙微中子高速穿越地球時，與冰塊中的原子核交互作用所產生的微弱閃光。

自從2013年以來，有幾個極高能的微中子（科學家異想天開地以芝麻街人物為這些微中子命名）穿過極區冰層，被冰立方天文台的偵測器記錄下來。但這些微中子令人沮喪的難以確認是來自單一天體，讓科學家只能得到一些可能來源天體的線索。

真是美好的一天

一直到2017年9月22日，一個以接近光速前進的微中子呼嘯穿過地球，撞擊了冰立方天文台的偵測器。它所擁有的能量非常驚人，高達290 TeV──這比在大型強子對撞機（Large Hadron Collider）內運行的最高能量質子射柱強近50倍。此次撞擊觸發了通報系統，通知研究微中子的天文學家盡速展開追捕。

科學家追溯這條微中子的路徑，目標指向了獵戶座附近的一小塊天區。好幾個望遠鏡也幾乎同時在此處觀測到巨大的宇宙閃焰。

藏身在北方天空的一小塊天區中，一個遙遠、巨大，被稱為「蝎虎BL型類星體」（blazar）的天體。被自己震醒，並且將高能粒子投射到太空中，其中還包括費米伽瑪射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-Ray Space Telescope）所偵測到的一群高能伽瑪射線。

↑↑↑↑↑黑洞、蝎虎BL型類星體和有色人種女科學家。耶迪達．艾斯勒（Jedidah Isler）是第一位自耶魯大學（Yale University）獲得天文物理學博士學位的非裔美國女性，她在舞台上暢談她對黑洞的熱愛，以及她支持有色人種女性科學家的熱情。

這些伽瑪射線來自一個名為TXS 0506+056的巨大橢圓星系，在這個星系的核心有個翻騰不已的超大質量黑洞。黑洞不斷吞食附近的氣體和塵埃，因此不斷向外噴射出極高能粒子，很剛好地朝地球的方向噴來。

「蝎虎BL型類星體是宇宙中最強大的天體。」普林斯頓大學（Princeton University）的瑪利亞．佩卓布羅（Maria Petropoulou）說。在伽瑪射線波段的天空，TXS 0506+056是最明亮的蝎虎BL型類星體之一。這是非常了不起的，因為它距離我們大約有40億光年遠，這也表示TXS 0506+056是產生這些高能宇宙射線的一個重要候選者。

「這很合理──它不可能是個很微弱的蝎虎BL型類星體，」歐洲南方天文台（European Southern Observatory）的保羅．帕多瓦尼（Paolo Padovani）這麼說，「如果想要找到微中子，那它們一定是來自威力十足的野獸，否則你根本就不會看到微中子。」

在冰立方和費米同時偵測到訊號後的數天到數星期內，許多團隊開始研究這個明亮的蝎虎BL型類星體。超過十幾個團隊以無線電波、可見光、X射線和伽瑪射線……幾乎是涵蓋了所有波段的儀器，一起盯著這個天體進行觀測。根據他們的研究結果看來，伽瑪射線閃焰的確是來自於TXS 0506+056，同時也產生了冰立方在9月偵測到的微中子。

「如果費米太空望遠鏡沒有及時觀測到伽瑪射線，那對我們來說只會是又一個微中子。對他們來說，也只是另一個來自蝎虎BL型類星體的閃焰。」郝爾琛表示。

但是，這些團隊做的可不只這些。