你有没有想过一个问题:如果宇宙里每一颗爆炸的恒星都会喊一嗓子,那从古到今所有恒星一起喊,会是什么声音?
不是比喻。真的有东西在“喊”。只是我们听不到——至少以前听不到。
在日本岐阜县地下一千米深处,一个装着五万吨超纯水、被一万三千只“眼睛”盯着的巨型水箱,可能刚刚捕捉到了那个声音的第一丝余韵。一队国际科学家说,他们可能听到了宇宙有史以来所有超新星爆炸留下的集体回响。不是某一颗,是所有。
这听起来像是科幻小说的开头,但它是真实发生在超级神冈探测器里的事。而且说来话长,得先从一种几乎不存在的粒子讲起。
中微子这种东西,性格极其孤僻。不带电,几乎没有质量,跟任何物质都懒得搭理。你正在看这段话的时候,就有成百上千亿个中微子从太阳方向飞来,直接穿透你的身体、穿透脚下的楼板、穿透整个地球,连个招呼都不打。也正因为如此,研究它成了一件令人头疼的事——你得先想办法让它“停”下来才行。
科学家想了个笨办法,也是聪明的办法:造一个超级大的靶子,然后等。
超级神冈探测器就是那个靶子。它建在日本一座废弃矿山下方一千米处,为的是用厚厚的岩层挡掉宇宙射线之类的干扰。核心是一个圆柱形不锈钢容器,里面装着五万吨比蒸馏水还纯净的水,内壁密密麻麻排列着一万三千多个光电倍增管——你可以把它们理解成极其灵敏的光传感器,专门盯着一件事:水里会不会突然亮一下。
那一“亮”,就是中微子路过时留下的唯一痕迹。当它极其偶然地撞上水分子里的某个原子核,会激出一道微弱的切伦科夫辐射,蓝幽幽的,转瞬即逝。一万三千只“眼睛”等了二十多年,攒下了大约五千天的数据,就为了从海量噪声里捞出那一闪。
捞的目标,叫做“弥漫超新星中微子背景”。听名字就知道不好惹,拆开说其实逻辑很清楚。
宇宙里每隔一段时间,就会有一颗质量足够大的恒星走到生命尽头,把自己炸掉,变成一颗超新星。每一次这样的爆炸,都会在瞬间释放出海量中微子,像宇宙放了一朵烟花。远的近的、早的晚的,几十上百亿年来无数颗超新星前赴后继地炸开,它们喷出的中微子在宇宙中扩散、稀释、混合,最终交织成一张极其暗淡的背景辐射网。它一直都在那里,只是太过微弱,此前从来没有人真正“听到”过它。
你能想象这个信号的强度有多小吗?用研究团队自己的说法,它“比自然界里几乎任何东西都更安静”。可一旦捕捉成功,意义就完全不同了。因为中微子几乎不跟别的东西相互作用,所以它们从爆炸那一刻起就一路畅通无阻地向宇宙各处狂奔,不拐弯、不衰减、不被遮挡。换句话说,它们身上携带着恒星死亡那一瞬间最原始的信息。如果能稳定地探测到这张背景网,就等于拿到了一本宇宙恒星生灭史的编年账本,可以回溯时间,看看星系形成以来,究竟烧掉了多少颗大质量恒星、什么时候烧得最旺。
这件事本身没那么神奇,真正神奇的是人类居然真的在想办法做到。
说回超级神冈。研究团队把实验分成两个阶段运行,第二个阶段还往水里加了一种叫做钆的元素。这么做不是为了给水消毒,而是为了帮助更精确地分辨中微子事件的类型——钆会显著提高探测器捕捉到中子信号的能力,让科学家在判断“这一闪到底是不是中微子搞的”时更有把握。
在筛过将近十五年的数据之后,他们注意到一组有趣的现象:在某个特定能量区间里,中微子信号多出来了一小撮。不多,但很稳定,而且和已知背景噪声的预期模式不太一样。统计学上算出来,这件事是随机噪声的概率很低,置信度达到了百分之九十九点五。
你可能会想,百分之九十九点五,那不就是铁证如山了吗?在日常生活里是,在粒子物理学领域不是。这个领域的规矩是出了名的严苛:必须达到99.9999%以上的置信度,才能算作正式“发现”。所以他们目前只是把它称为一个强烈的迹象,一次诱人的暗示,而没能宣布“我们找到弥漫超新星中微子背景了”。
打个比方大概是这样:你在一个极其嘈杂的房间里,隐约听见远处有个人在轻声报一串数字。你录了整整五年音,拿回去用最精细的软件一寸一寸扒,发现某个频段上确实多出来一段有规律的声波。你能相当肯定那不是幻觉,但因为房间实在太吵、声音实在太轻,你还没法站起来跟所有人说“我听到了”。这就是超级神冈团队现在的处境。
项目发言人关口裕之把这一刻描述为“从项目最初就一直珍藏的目标”。这句话本身就挺动人的。一个在地下千米深处运行了二十多年的实验,最初设计的时候就想找到这个信号,二十多年后终于摸到了它的一点边缘。不是那种突然发现外星人的戏剧性,而是慢工出细活、日夜积攒数据的耐心回报。
那这个信号如果真的被确认,意味着什么?
我们可以打个生活的比方。你以前看夜空,看到的是星星的位置,是光的明暗,是望远镜里一颗一颗的天体。这像是在城市里看万家灯火,你知道每家每户亮着灯,但不知道这栋楼里住过多少人、搬进来多少年、曾经有多热闹。而弥漫超新星中微子背景一旦被解析清楚,相当于你突然有了一种能力,可以从整座城市的地基深处听到一种极其低频的嗡鸣声,那个嗡鸣声里压缩着每一栋房子从建成第一天到现在所有灯泡开关的总次数。你听到的不是某一盏灯,是所有。
当然,目前还有很多未知数。比如,信号的特征还不够清晰,到底是哪类超新星贡献了最大比例,不同爆炸机制留下的中微子能量分布有没有差异,这些都需要更长时间的数据积累和更精细的探测器才能回答。团队自己也承认,现阶段只是一声耳语,还没到放声宣布的时候。
但有一件事已经很清楚了:人类在听。
我们造了一个埋在地下一千米的巨型水箱,只是为了听见宇宙历史上每一次恒星死亡留下的那一声轻叹。而这个宇宙,也真的在诉说。
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