南極深處望遠鏡幫助解開宇宙射線之謎(圖)

2010-10-25 22:33

南極是進行此項研究的最佳場所，因為這裡的冰雪異常純淨，幾乎完全不含氣泡和其他可能影響探測結果精確性的干擾。這是上覆巨厚冰雪層壓力的結果

據國外媒體報導，深埋在南極洲廣袤冰雪之下的一臺「望遠鏡」將有望幫助科學家們確定來自外太空，不斷轟擊地球的宇宙射線和粒子究竟來自何方。

在過去的10年間，科學家們一直在奮力設計並建造一個雄心勃勃的實驗裝置，以便搞清楚是何種機制產生了宇宙射線，以及一種名為中微子的基本粒子，這種粒子難以捉摸，卻到處存在。他們將數千臺探測器深埋到南極洲冰雪下超過1英里深處。當宇宙射線和這種粒子和南極洲冰雪中的原子發生碰撞時，會產生轉瞬即逝的藍光閃爍，這些探測器極度敏感，可以記錄下這些閃光。通過對撞擊產生的閃光特徵的記錄，探測器能夠鎖定它們的運行路徑，從而幫助科學家確定它們到底來自銀河系中的什麼方位。

儘管這臺耗資2.71億美元，被科學家們稱作「冰立方」(ICECUBE)的中微子天文臺尚未建成，其最後一批探測器計畫今年12月份才會安裝到位，但是對其探測數據的分析已經迫不及待地開始了。初步的結果顯示大量宇宙射線似乎都來自一個靠近船帆座的天區，這是一個位於南天的星座。長期以來這裡便被認為存在一個強輻射源。

科學家們現在希望當這臺設備最終建成之後將幫助他們確定到底是何種機制生成了這些自由穿越於星系之中的高能宇宙射線以及中微子。最近有研究指出星系宇宙射線會對地球氣候造成影響，從而改變天氣情況和雲層狀況。宇宙射線是一種以接近光速運行的高能粒子流，它們衝入地球大氣層，和空氣中的原子發生碰撞，會導致空氣中產生電荷，從而誘發閃電和雷暴的發生。

一直以來，科學界一直認為宇宙射線和中微子產生於超新星爆發或者超大質量黑洞。但是近些年來這種理論開始受到質疑。科學家們現在希望「冰立方」實驗能給出一個答案。素比·薩卡爾(Subir Sarkar)教授來自牛津大學，是一位粒子天體物理學家，他領導了參加「冰立方」實驗項目的英國團隊。他說：「100年前我們就發現了宇宙射線，但是直到現在我們仍然對它的來源一無所知。乍一看，你可能會覺得冰立方是一個瘋狂的實驗計畫。你不是想研究天上嗎？可你卻把自己埋進地下。但這確實是一種反向追蹤其來源路徑的新思路。」

「這一計畫真正讓人興奮的地方是對宇宙射線和中微子的研究可以給我們一個看待宇宙的全新視野，並讓我們得以窺視之前無法企及的區域。 就目前來說，我們還無法透過黑洞外圍厚厚的塵埃和氣體帶一窺黑洞本身，但是如果這些高能粒子是從這些區域產生的，那麼我們將可以經由對這些粒子的研究獲取關於這一區域的信息。」

當宇宙射線中的高能粒子轟擊其他物質原子，將產生輻射和中微子。中微子是宇宙中除了光子之外最多的例子。但是它們卻是最難以探測的粒子，因為它們不帶電荷，並且幾乎沒有質量，這意味著它們可以暢通無阻的穿過岩石、金屬，甚至人體。在極少的情況下，中微子會撞到原子。這樣的結果是產生一種叫作μ子的粒子，這是中微子的一種，以及一種特徵藍光閃爍，探測器可以捕獲這種閃爍。

南極是進行此項研究的最佳場所，因為這裡的冰雪異常純淨，幾乎完全不含氣泡和其他可能影響探測結果精確性的干擾。這是上覆巨厚冰雪層壓力的結果，由於設施位於地下1.2英里(1900米)處，上面覆蓋的冰雪層很厚。到最終建成時，科學家們計畫在這裡安裝超過5000臺光學探測設備，覆蓋大約1立方公里的冰雪層。科學家預料這種和中微子的碰撞事件發生概率極低，可能每年只會出現幾次，但是自從2006年第一臺探測器被埋入地下以來，他們已經探測到了若干次這樣的撞擊事件。

此項大型國際合作項目由美國威斯康星大學麥迪遜分校領導，目前參與研究的科學家們正在想辦法擴大實驗的規模。本週在布魯塞爾召開的一次會議上，科學家們提出了一個設想，即建立一個覆蓋數百英里的探測設備陣列，在冰下普遍放置無線電波探測器，然後研究人員則通過監聽無線電波的變化來判斷中微子撞擊事件的發生。高度敏感的麥克風也可以被用來監聽冰層中撞擊事件產生的獨特聲響。