南极能变成宇宙望远镜吗?热榜上的这个问题,答案其实已经写进了诺贝尔奖的名单里:能,而且这台"望远镜"刚刚领走了2026年诺贝尔物理学奖。10月6日,瑞典皇家科学院把这一奖项单独授予82岁的弗朗西斯·哈尔岑,以表彰他对"冰立方中微子天文台"作出的决定性贡献,以及在发现具有天体物理起源的高能中微子方面取得的成就。 他和同行真正做到的事,是把1立方千米南极深冰变成了一座接收宇宙来信的特殊"邮箱"。中国新闻网新华网
这台望远镜不追光,追的是光背后的谜题
冰立方要解的,是一个一百多年的老问题:宇宙里能量最高的那批粒子,究竟在哪里、通过什么过程,获得了远超地面加速器所能赋予的能量?带电的宇宙射线很难回答这个问题——宇宙射线中的许多粒子由于带电,会被磁场改变方向,抵达地球时,来路已经难以辨认;中微子则不同,它不带电、极少受物质阻拦,有机会从光难以穿透的地方带出消息。 用诺贝尔委员会主席皮尔斯的话说,观测宇宙不一定只能依靠光,也可以借助中微子带来的信息。新华网
要拦住这种粒子并不容易:每一秒大约有650亿个太阳中微子穿过你的指甲盖,就像风穿过纱窗,不留任何痕迹;来自遥远宇宙的高能中微子更少,却可能带着它们诞生之地的消息。央视网
为什么必须是南极的冰
既然要"守株待兔",靶子就必须大到离谱:中微子与物质反应的概率极低,靠人工建造一个超纯水箱凑不出所需的质量,而南极冰盖恰好是一块现成的、可以铺到立方千米级的天然靶。但光有体量还不够,冰还必须透明——普通冰中往往含有大量气泡,会使光发生强烈散射,破坏光子到达时间与粒子轨迹之间的对应关系,南极的深层冰恰好避开了这个致命缺陷。知乎
建造方式也很特别:研究人员向冰川学家学习,用高压热水在冰层中融出深孔,再把串有光传感器的长缆缓缓放进去,水重新冻结后,仪器就成了冰体的一部分;冰立方中微子天文台,到2011年达到完整规模:5160个光传感器分布在86条长缆上,主要阵列位于冰面下1450米至2450米,覆盖约1立方千米冰体。新华网
探测原理则是等一次碰撞:原理很优雅,中微子如果撞上冰中的原子核,会产生高速带电粒子,在冰里发出一道淡蓝色的切伦科夫光。传感器捕捉这道蓝光,科学家就能反推中微子的方向和能量。 这些被哈尔岑称作"反向灯泡"的传感器只负责接收光,再把光变成电信号。央视网
埋到近两公里深还有一重用意:上方厚重的冰挡住了大部分噪声;想看北天的目标,还可以让"信使"从脚底穿透整颗地球——带电的缪子穿不过地球,中微子可以,于是地球本身就成了一层彻底的降噪盾。
宇宙来信收到了,寄信人大多还没露面
2013年,研究团队报告了两个能量极高的中微子事件,获得了具有天体物理起源的高能中微子的首批证据。 2017年,冰立方实时探测到一个高能事件并迅速向全球播报,之后的几个小时到几个月内,来自全球的超过20个观测设备对该中微子来源方向进行了密集的多波段多信使跟进观测,并发现该方向上有一个正在爆发的蝎虎座BL型耀变体。 央视网的复盘称,这是人类第一次用中微子"看"清了宇宙加速器。新华网知乎央视网
但要判定"看清"了谁,门槛更高:对耀变体TXS 0506+056,实时预警事件与存档数据中的独立爆发,两条证据的显著性都没有达到高能物理5倍标准差(5σ)的黄金标准。 更普遍的情况是"知道有信,不知是谁":星系NGC 1068是受到关注的候选来源之一,但有关证据尚不足以作出判定;冰立方也发现了银河系的高能中微子信号,但尚未能锁定具体的源头。 换句话说,这台望远镜确认了"有东西在寄信",而绝大多数寄信人的身份至今仍是未知数。知乎新华网
一个人领奖,走的却是二十多年的团队路
物理学奖单独颁给一人并不常见,但这项成果从第一天起就是几百人的事业。评奖通报写得很直接:弗朗西斯·哈尔岑带领一个国际研究人员和工程师团队,为我们打造了一台出色的科学仪器。 参与过冰立方的中国科学家徐东莲形容那支团队是"梦之队",年轻人的想法不断涌现;她自己如今是国内首个深海中微子望远镜项目——海铃计划的发起人与首席科学家。中国新闻网知乎
时间线拉长了看,这是一场没人保证成功的长跑:1988年在波兰举行的一次会议上,哈尔岑和同行首次提出在南极利用冰层建设中微子天文台的构想。 当年,哈尔岑提出这个构想时,同事觉得他疯了,没人知道1立方公里够不够大。 从构想到2011年阵列落成,这场没人保证成功的冒险走了二十多年,最后真的等来了信号。而今年的诺奖官方背景报告,也特别提到了中国正在推进的海铃计划。新华网央视网知乎
下一批"望远镜",正往水里放
冰立方的主场是北半球夜空,南天反而是它的观测短板——随地球自转,海铃计划可观测南天大片天区,弥补冰立方难以观测南天的不足。 上海交通大学牵头建设的海铃计划,把探测器阵列沉入南海3500米深的海底,海水比南极冰层更均匀,阵列可以布得更密,锁定中微子源头时角度更准;一期建成后,它将成为首个临近赤道的中微子望远镜。 这个项目的目标不小,按团队公布的规划,海铃建成后探测灵敏度将较冰立方提升三个数量级以上。知乎央视网知乎
中国在中微子上不止"望远镜"一条线。江门中微子实验(JUNO)更像一台"精密秤",负责测定中微子的质量顺序:2025年运行后,JUNO只用59天数据,就把两个振荡参数的精度,相较过去数十年的国际结果,提高了1.6倍;到2026年6月,它进一步报告质量顺序更倾向于正序。央视网
另一条水下路线也在推进:中国科学院高能物理研究所牵头的中俄联合项目"高能水下中微子望远镜",今年已在贝加尔湖完成样串投放,预研项目"海星计划"也在我国海域完成首次海试,瞄准的是30立方公里级的下一代阵列。央视网
所以,“南极能变成宇宙望远镜吗”?答案已经写在南极两公里深的冰里:能,而且它拿到了诺贝尔奖。更值得注意的是下半句——这类"借介质当镜筒"的望远镜不会止步于南极:冰盖负责北天,南海的深海将补上南天,湖泊和海域正在织成一张更大的网。那些遥远的寄信人还没有自报家门,但能读信的设备,已经越铺越多。