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刚刚,诺贝尔物理学奖揭晓,他把南极冰层变成了一座巨型望远镜

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想看清遥远的宇宙,科学家通常会把望远镜架在高山上,或者送入太空。物理学家弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)却选择了另一个方向,把数千个光传感器埋进南极深处,让一立方公里的冰层成为观测宇宙的仪器。

就在刚刚, 瑞典皇家科学院宣布,将 2026 年诺贝尔物理学奖授予哈尔岑,表彰他对冰立方中微子天文台(IceCube)的决定性贡献以及对天体物理来源高能中微子的发现。他将独享 1200 万瑞典克朗奖金。


1944 年出生于比利时的哈尔岑,目前任教于美国威斯康星大学麦迪逊分校。从 1988 年公开提出南极冰层观测方案,到带领国际团队建成 IceCube,他推动科学家获得了一种观察宇宙极端环境的新方式。


宇宙粒子从哪里来,中微子能提供线索

哈尔岑试图回答的问题,来自不断抵达地球的宇宙射线。

宇宙射线中包含大量质子,它们的能量可以远超地球上粒子加速器所能达到的水平。究竟是什么天体、通过什么过程,将粒子加速到如此惊人的能量,长期以来都是天体物理学的重要谜题。

追踪这些质子的来源并不容易。质子带有电荷,穿越宇宙时会受到磁场影响,运动方向不断改变。即使科学家测出它们抵达地球时的方向,也很难沿着原路找到出发地。


中微子提供了另一条线索。能够产生高能宇宙射线的环境,也可能产生高能中微子。中微子不带电荷,几乎不受磁场影响,又极少与沿途物质发生相互作用,因而能够携带来自遥远源头的信息。

普通望远镜难以看清的尘埃深处,或其他辐射难以抵达地球的遥远区域,都可能通过中微子留下可供研究的线索。

困难也随之而来。中微子与物质发生相互作用的概率极低,它们可以穿过人体,甚至穿过整个地球,却几乎不留下痕迹。每秒都有约 650 亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲,你对此毫无感觉。

因此,科学家需要足够庞大的探测介质,等待极少发生的相互作用。对于更加稀少的宇宙高能中微子,探测器的规模尤其关键。

南极冰层,成了一座巨型望远镜

早在上世纪 60 年代,就有物理学家提出,利用大体积的水来寻找宇宙中微子。当中微子与物质发生相互作用时,会产生带电粒子;这些粒子在水中运动,可以发出微弱的蓝光。记录光信号,就有机会推断中微子的能量及来向。

哈尔岑意识到,南极天然存在的厚重冰层也能承担类似任务。

足够深的冰层长期处于黑暗之中,没有海洋生物产生的光信号干扰,放射性背景较低,环境也相对稳定。南极点已有科考站,为运输和科研人员工作提供了基础条件。

1988 年,哈尔岑与研究中微子的同行约翰·G·勒恩德(John G. Learned)公开介绍了这项构想。随后,多家机构的研究人员和工程师陆续加入,开始把理论变成实际装置。

施工团队使用热水钻在冰层中融出深孔,再将串联着光传感器的长缆放入其中。哈尔岑曾把传感器形容为「反过来的灯泡」,它们接收光,再将光转换成电信号。


不过,最初的尝试并不顺利。浅层冰中的大量气泡会让光四处散射,模糊粒子的运动信息。研究人员后来发现,超过 1400 米深的冰层要纯净得多,光在被吸收前能够传播约 300 米,比预期更远。

发现合适的冰层,只解决了部分问题。IceCube 的前身 AMANDA 虽然验证了方案可行,但要捕捉来自宇宙的稀有高能中微子,仍需要更大的观测体积。

2010 年底,IceCube 完成建设。5160 个光传感器分布在 86 条缆线上,埋藏于地表下约 1450 至 2450 米的冰层中,覆盖整整一立方公里的体积。

从公开提出设想到装置建成,哈尔岑与国际团队花了二十多年,才让南极冰层成为一座能够持续观测的中微子望远镜。

找到宇宙来客,还要从海量信号中辨认

仪器建成后,研究人员面对的挑战,是判断记录下来的信号究竟来自哪里。

每天,IceCube 会记录超过一亿个由南极上空大气中的宇宙射线过程产生、随后穿入冰层的粒子。宇宙射线与大气相互作用还会产生中微子,其中每天有数百个从北半球穿过地球,抵达 IceCube。

大量信号属于地球附近的背景,研究人员真正寻找的宇宙高能中微子混杂其中。

团队需要结合能量、方向和相互作用位置等信息筛选事件,并判断整组数据是否明显超出大气背景能够解释的范围。单个事件未必足以确认来源,发现必须建立在统计证据之上。

2013 年,IceCube 团队报告了首次支持宇宙高能中微子存在的证据。随后数年,随着数据积累,研究人员进一步确认了发现。人类终于能够利用这些粒子,系统研究遥远宇宙中的高能过程。


中微子此前已经帮助科学家研究太阳和超新星,相关成果曾获得 2002 年诺贝尔物理学奖;中微子能够改变类型的发现,则获得了 2015 年诺贝尔物理学奖。哈尔岑推动的工作,将观测延伸到了更高能量的宇宙中微子。

当然,发现宇宙高能中微子,只是寻找宇宙粒子加速器的开始。接下来,科学家还需要把它们与具体天体联系起来。

IceCube 已经找到了一些潜在来源,其中包括活跃星系 NGC 1068,也称 M77。近年来,研究人员也观测到了来自银河系的高能中微子信号。

更多观测设施正在加入。贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸附近,都有处于不同发展阶段的水下中微子探测项目。南极也在规划 IceCube-Gen2,将观测规模扩大至约八立方公里。

哈尔岑的贡献,让人类多了一种获取宇宙信息的方式。过去,穿过地球却几乎不留痕迹的粒子难以被察觉;如今,它们在南极冰层中留下的微弱闪光,正在帮助科学家追问宇宙中最强大的天然加速器究竟藏在哪里。

附上参考资料:

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/?utm_source=X\&utm_medium=Social+\&utm_campaign=X_physics_2026

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/popular-information/?utm_source=X\&utm_medium=Social+\&utm_campaign=X_physics_2026

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