一根缆线伸进冰洞,洞口往下渐渐消失在黑暗里。这里没有镜筒朝向天空:天文台的探测器正在被送到南极冰层深处。

NASA 10 月 11 日天文每日一图选用的照片拍于 2010 年。画面记录 IceCube 建设后期一串探测器下放的过程:洞壁与缆线占据照片,深处可见一个圆形模块。水会重新结冰,把这些“眼睛”封存在冰里。

钻洞用的是热水。团队发表的钻机技术论文把两种耗时分开:钻进与扩孔平均约 30 小时,从一个孔开钻到下一个孔开钻的平均生产周期约 48 小时。按一个瞬时速度算出的时间,不能代替完整施工记录。原有阵列最后一串于 2010 年 12 月 18 日下放。

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图片信用:NSF, B. Gudbjartsson, IceCube Collaboration;原始页面。

等一场罕见的碰撞

中微子很少与物质相互作用。这让它们能携带遥远宇宙的信息,也让“抓住”它们很难。IceCube 的办法,是让一大块冰成为等待碰撞的场地。

IceCube 的仪器介绍给出了具体规模:原有深冰阵列包含 86 串、5,160 个数字光学模块,位于冰面下约 1,450 至 2,450 米,覆盖约一立方千米冰体。这些数字说的是原有阵列;不把后续升级混进同一个计数。

高能中微子偶尔在冰中发生相互作用,产生带电的次级粒子。探测器记录的是这些粒子留下的光,不是给中微子直接拍照。

比冰里的光更快

这道微弱蓝光叫切伦科夫光。次级粒子能比光在冰中传播的速度更快,就像飞机超越声音传播速度会形成冲击波一样。但这没有突破真空中的光速:光进入冰后会变慢,比较的是两种不同的速度。

各个探测器记录光到达的时间与强度,地面计算机再从空间分布与先后次序重建粒子的方向和能量。让许多小探测器一起工作,冰层便成了一架没有普通镜片的望远镜。

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解释图:来历绘制。探测器读出的是间接痕迹,粒子没有超过真空光速。

地球也能成为滤网

天文台要辨认信使,也要处理背景。宇宙线撞击大气会产生大量向下进入冰层的缪子,它们同样能发光。IceCube 的北天研究利用地球筛掉这些大气缪子:它们穿不过整颗地球,而中微子可以从另一侧穿来,产生向上的次级粒子径迹。

这并不能筛掉大气中产生的中微子,也不代表所有能量的中微子都不受地球影响。研究者仍要用能量、方向与统计去识别天体来源的成分。“朝下看”是一种分析方法,不是 IceCube 唯一的视野。

2023 年银河系中微子研究选取的主要是探测器内部产生的簇射——像一团向四周散开的光。这种事件也能帮助研究南天。研究得到银河系整体的高能中微子信号,还不等于把每个单独的银河系源头都辨认出来。

同一个办法,也可以用深海

中国的海铃计划 TRIDENT,研究把同类探测方法放到南海深水中。2023 年《Nature Astronomy》的设计论文报道了约 3.5 千米深的候选海域,并提出 1,211 串、每串 20 个光学模块的布局,计划监测约 7.5 立方千米海水。

这是设计参数与预期能力,不是已建成阵列的实测成绩。南极冰与深海水都可以成为探测介质,却各有自己的光传播与工程条件;把仪器放得更大,不会自动让各种观测能力按同一倍数增加。

一张旧照片,一次新的认可

照片是 2010 年的建设现场,今天的日期则属于栏目。新的时效关联来自诺奖官方页面:Francis Halzen 获得 2026 年诺贝尔物理学奖,表彰他对 IceCube 和天体来源高能中微子发现的贡献。IceCube 10 月 6 日公告也记录了这一消息。

想再往里走一步,可以从IceCube 的科学介绍看探测器阵列图:先找地面,再找深冰中的一串串光学模块。试着想象,同一个事件的光先后抵达不同位置,我们如何倒着追出它来的方向。宇宙发来的消息,有时需要我们先往地下看。