科學人 發行日期:2010/10 刊號:103
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以微中子看宇宙

微中子不再只是物理學的稀世珍品,更是天文學上實用的工具。
撰文∕蓋爾米尼(Graciela B. Gelmini)、庫森科(Alexander Kusenko)、衛勒(Thomas J. Weiler)翻譯∕李沃龍

重點提要
■微中子為天文學家提供了一種類似X光的透視能力,其性能比X光更強大。微中子是反應活性最差的次原子粒子,可以輕易穿透物質,彷彿它們根本不存在,因此能夠呈現出恆星核心與其他隱匿於宇宙深處的奧秘。
■不幸的是,微中子這項如此有用的特性,也能讓它們逃過望遠鏡的偵測。直到今年,望遠鏡才具備足夠的靈敏度,以偵測微中子的確切來源。
■微中子有多種型態,並且可於飛行途中變換型態。這項特殊性質亦提供了額外的資訊,透露出它們的源頭。

2002年,諾貝爾基金會把獎項頒發給戴維斯(Ray Davis)與小柴昌俊,當時他們可供讚頌的貢獻很多。戴維斯因偵測到太陽微中子而成名,那是人們第一次看見來自外太空的微中子,它可是出了名的難以捉摸;小柴昌俊則發現了1987年超新星爆發所釋放出來的微中子。他們的成果是實驗上的精采傑作,因為理論學家原先假定微中子不具質量,但這些實驗確認了它們其實擁有微小質量。不過,諾貝爾基金會特別表彰的是,戴維斯與小柴昌俊為世人建立了一門全新的科學:微中子天文學。

在他們的努力下,微中子從理論上的新奇事物,搖身一變成為探索宇宙的實用工具。科學家研究微中子,除了要蒐集這些粒子的性質,現在更用來揭露宇宙潛藏的某些奧秘。一個世紀前,天文學家建造的是大型光學望遠鏡;而今,天文學家為了看見新的事物,設計與製造出龐大的微中子望遠鏡,這些望遠鏡已經偵測到成千上萬的微中子,還利用微中子拍攝出太陽的影像。過去的儀器很難把來自地球之外的與源自地球高層大氣的微中子區隔開來,但到了明年此時,這些儀器應該已經有能力做到這件事情。

屆時,新的發現會蜂擁而至,至於這種曾被認為無法觀測的粒子,未來可能會變得不可或缺,因為有些東西無法透過光看見,但微中子可以。當我們藉由光來研究太陽時,我們只見得到它的表面,也就是最表層數百公里的氣體。太陽中心核反應產生的能量驅動了陽光,而陽光則沿途不斷受到各氣層的吸收和發射,因此只有在穿出外層氣體後,才能自由穿越太空。相對而言,透過微中子這雙眼睛,我們得以直接看見太陽中心的核融合引擎,那是太陽內部溫度最高的區域,只佔了太陽體積的1%,微中子在此被製造出來,接著便視若無物地穿透太陽的外層。

微中子也能讓我們透視超新星的內部、γ射線爆發之類的恆星爆炸事件,以及圍繞於超大質量黑洞周邊的氣盤。目前興建中的望遠鏡,每年應可在最接近我們的約50個星系裡,觀察到一顆超新星,以及數百次γ射線爆發,甚至許多根本未被注意到的奇怪天體。但就跟其他威力強大的工具一樣,我們得花些精神才能熟悉微中子的特性。

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