【科學講堂】微中子觀測銀河系 好過用光線
大家可能都喜愛觀察星空、注意各種天文現象；天文學家們更是如此。大家都可能想當然地認為察看星空自然是運用光線，其實並不一定如此。今次就和各位介紹，科學家們如何使用微中子（neutrino）這種特別的粒子來觀測銀河系。
探究能量無故消失 發現「微中子」
先介紹什麼是微中子。我們知道「能量不能無故生成，也不能無故摧毀」，然而當科學家們觀測中子（neutron）衰變成質子（proton）及電子（electron）時發現一個奇怪的現象：中子的部分能量好像消失不見了！其後奧地利物理學家鮑利（Wolfgang Pauli）提出，或許中子衰變的時候也會釋放出一種未知的粒子，把原來中子的部分能量帶走。這樣的粒子不易察覺，因此感覺上就好像有些能量不見了。後證實這種粒子真的存在，它們極少與其他物質發生作用，因此不易被發現；它們像中子一樣不帶電荷，但質量卻極為細小，因而被改名為「微中子」。
如前所述，要觀察星空或者其他物體，不一定要使用光線；電子顯微鏡利用電子來窺探物件的內部結構就是一個例子，只要電子能清晰地反映出物件的狀況就可以。運用微中子觀察銀河系，也有比運用光線優勝的地方：來自天體的光線在到達我們的儀器或眼睛之前，極容易被其他障礙物阻隔或干擾，影響我們觀察的質素。特別是星體密集的銀河系中心，對光線的干擾就更為嚴重，不太容易利用光線去觀察。反過來說，微中子不易跟其他物質發生作用，不易受到干擾。因此哪怕是來自銀河系中心的微中子，也能夠較輕易被我們測量到。
運用微中子觀察銀河系可以加深我們對銀河系甚至宇宙的認識。科學家們一直在猜想宇宙射線的來源，宇宙射線是能量極高的粒子，充斥於宇宙之間，但它們究竟是從哪裏來，宇宙中究竟有什麼機制可以生產如此高能量的粒子？宇宙射線帶有極高能量，當它們與其他物質碰撞，可以產生高能量的微中子；銀河系中心則有極多天體，能夠跟宇宙射線發生作用而造成大量微中子。
正因如此，科學家們希望能通過觀察銀河系的微中子來增加對宇宙射線的認識。
為了測量微中子，科學家們建立冰立方微中子觀測站（IceCube Neutrino Observatory）。這個觀測站設於南極，能夠避開其他信號的干擾。更有超過5,000個感測器安裝於冰面1.5公里之下，因而這個觀測站甚至被改名為「冰立方（IceCube）」。
「冰立方」於2010年正式完成，在2011年5月至2021年5月這10年之間，已經收集了近6萬個微中子數據。不過根據分析，科學家們並沒有在銀河系中找到特定製造微中子的物體，可能也沒有特別的天體在生產宇宙射線。
科學家們已經在策劃更大、更準確的觀測站，希望能對銀河系、宇宙射線和微中子有更深的認識。
小結
剛發現微中子的時候，大家可能都沒有想到可以怎樣應用它們。如今運用微中子作天文觀察，或許也能反映出人們跳出固有思維的創意。
◆杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
