冰立方天文台是地球上最遥远的天文设施。冰立方装置深埋于南极洲冰层2500米的深处。鉴于粒子“无处不在”的特性,冰立方天文台配备了高科技粒子中微子探测器,旨在寻找宇宙中最难以捉摸的粒子之一。中微子是电子的亚原子表亲。它们是幽灵般的影子,没有电荷,质量极小。它们避免与物质发生相互作用,这使得它们极难被发现。
尽管如此,我们生命中的每时每刻都在它们构成的无形的“汤”里游泳。它们从宇宙一开始就存在,是创造万物的基本要素之一。许多天体物理学家认为,暗物质是由大爆炸后不久遗留下来的原始中微子组成的,如果这个看法是真的,那么它们将会是宇宙中最常见的粒子。
电子和中微子都属于一种叫做轻子的粒子。轻子与弱核力有关,弱核力控制原子核的衰变,并在转化过程中产生全新的粒子。正是在这些衰变模式中形成了中微子,如果可以探测到中微子的存在,将会让科学家们得以一窥宇宙中创造和毁灭的基本过程。与光粒子不同,中微子甚至可以从最密集的环境中逃逸出来。例如来自超新星1987A的中微子在光粒子发射前三个小时到达地球,携带着从时空撕裂事件中获得的巨大能量。
这类型的中微子在科学家预期中可以被天文台探测到,所以寻找这些粒子是建立该设施的主要原因之一。但冰立方的研究人员对他们在进行的一次常规数据调查中发现的情况并没有做好准备。
在分析至收集的数据时,他们惊讶地发现,检测到了两个能量水平极高的中微子。他们是总共检测到的28个中微子中的两个,其中许多中微子的能量都高于平常。但是其它中微子都没有办法与这两个名称为“伯特”和“厄尼”的中微子所携带的惊人能量相比。
恒星和超新星会释放出大量的中微子,地球的大气层也是如此。探测器通常会发现这些中微子。但是这两个引人注目的中微子被测量出的能量是超新星释放的中微子的1亿倍,这表明它们的起源与之前发现的任何中微子都不同。
科学家对此非常兴奋,这一发现出乎意料,它们是人类迄今为止所见过的能量最高的中微子,于是研究人员立即开始寻找解释。许多猜测集中在活跃的星系中心。巨大的黑洞被认为是形成了许多星系的中心,它们有可能释放出巨大的高能物质喷流,其中包括中微子,这些物质可以在太空中长距离传播。
地球曾经受到超高能量宇宙射线的轰击,许多天文学家认为这些射线一定来自这些活跃的星系核。由于能量相似,所以把它们与高能中微子联系起来是有意义的。由于中微子与物质的相互作用如此之小,它们甚至可以穿过最厚的星系核,而能量却完好无损。
如果这个理论是正确的,那就意味着这些中微子一定来自银河系之外。在此之前,在我们这片宇宙中从未发现过接近这个能量水平的中微子,它们似乎不太可能来自银河系的中心。
此外还有其它一些见解来解释伯特和厄尼的能量水平。一些科学家认为,认为中微子可能是被我们星系中强大的天体以某种方式进行了加速,比如脉冲星、中子星或小的、看不见的黑洞。然而这些想法都是高度推测性的,而且大多数人都相信这些纤细的亚原子粒子实际上已经开始了它们在银河系之外的旅程。
争论持续了几年,冰立方天文台获得的新数据似乎解决了这个问题,再一次发现了具有超高能量水平的中微子。而且这一次它们被追踪到天空中猎户座内的一个特定位置。中微子的来源被确定为一种被称为布拉扎尔(Blazer)的黑洞,布拉扎尔产生的中微子和粒子喷流在这种情况下直接指向地球。这个布拉扎尔黑洞位于距离地球37亿光年的地方,这一切令人吃惊,因为意味着现在在冰立方天文台探测到的中微子大约是40亿年前从一个远离我们银河系的地方发射出来的。
发现这样的中微子被定义为罕见事件。但这是基于检测技术的本质,而不是基于现象本身的局限性。事实上,我们在地球上正受到几乎无限的中子轰击,这些中子来自太阳、其他恒星、超新星、黑洞、星系中心、我们自己的大气层,也可能来自我们尚未发现的来源。它们不常被发现,只是因为它们很少与物质发生作用,而不是因为它们的数量很少。这些幽灵般的粒子在物质中移动,就好像物质不存在一样,而且它们每时每刻都在不断地穿过每件事和每一个人。
研究稀有或外来粒子的目的之一,就是要了解它们可能揭示的宇宙的真实本质。它们的存在和活动可以帮助证实或证伪当前的宇宙学理论,而中微子现在可能验证的后者。在研究了中微子活动与太阳的关系后,天文学家们面临一个难题。虽然已经探测到距离我们最近的恒星的中微子,但它们的数量还没有达到预期的水平。即使考虑到探测技术的局限性,为太阳提供动力的核聚变过程也应该产生远远超过被发现的中微子。作为核聚变的副作用,多达2%的太阳能量应该被中微子带走,但完成这一任务所需的大量中微子却没有被探测到。这就是所谓的太阳中微子问题,它将对我们理解宇宙产生深远的影响。
来自太阳的中微子短缺可能意味着恒星并不像我们所知道的那样运作,主流宇宙学家可能很难接受或承认这一点。一个日益流行的替代大爆炸宇宙学的方法是电宇宙理论。电子宇宙的支持者声称,太阳通过充当极其强大的导体或放电点来产生能量。如果这是真的,那么太阳或其他恒星内部就不会发生核聚变,这可以解释观测到的中微子数量与标准模型预测之间的差异。