地球有多重?科學家利用來自太空的神祕粒子為地球量體重

地球有多重?科學家利用來自太空的神祕粒子為地球量體重

在為地球稱重並探測地球內部結構的問題上,科學家必須借助一些間接的方法。通常而言,他們會利用音波和引力等來進行計算。不過,有一個研究團隊想到了一種全新的方法:透過測量穿過地球的神祕宇宙粒子來獲得地球的重量。

地球有多重?科學家利用來自太空的神祕粒子為地球量體重

來自西班牙的研究人員利用穿過地球的微中子來計算地球的質量和密度。雖然這一方法目前還處於初期階段,但有朝一日或許會成為非常實用的工具。而且,研究人員獲得的結果相當接近目前主流方法計算的資料。

「我們的結果證明了用這種方法來研究地球內部結構是可行的,可以作為傳統地球物理學方法的補充,」研究作者在發表於《自然-物理學》(Nature Physics)期刊的論文中寫道。

粒子物理學是研究粒子以及它們之間相互作用的物理學分支。我們最常接觸到的粒子是質子、中子和電子,這些粒子構成了原子,它們之間透過引力、電磁力和強核力(使核子結合成原子核的基本作用力)、弱核力(發生在原子核內極小的尺度上,並且是某些放射性衰變的部分原因)發生相互作用。

微中子是宇宙中數量最豐富的粒子之一(僅次於光子),但非常難以探測,因為它們只與弱核力相互作用。來自太陽和更遠太空的微中子不斷地轟擊地球,它們的相互作用如此微弱,以至於探測器通常建造在地底深處,以屏蔽宇宙射線和其他背景輻射,並檢測穿過整個地球的微中子。

與此同時,許多地球物理學家也在嘗試研究地球的內部結構,包括地核、地幔以及地球磁場的行為。他們通常也只能透過間接方法進行測量,觀察音波穿過地球時的變化,或者探測引力的局部變化。參與這項新研究的物理學家設想,既然我們已經有了這些微中子探測器,而微中子也在不斷地穿過地球,那為什麼不嘗試利用這些微中子來測量地球呢?

他們開始付諸實踐。利用南極冰立方微中子觀測站(IceCube,位於阿蒙森-斯科特南極站)的資料,研究人員測量了從不同角度撞擊探測器的微中子數量,其中直接向上穿過探測器的微中子比其他角度的微中子經過更多部分的地球。他們將這一數據與如果地球不在探測器下方時將探測到的微中子數量進行了比較。

透過這些數據,研究人員測量出了地球的質量,儘管還不是很精確,但得到的數字與目前用引力方法獲得的結果近似。他們還測量了地核的質量,結果比目前廣泛接受的數值大一些。他們還發現,地核的密度比地球更大。當然,我們已經知道了這一點,但通過從太空穿過地球的神祕粒子來再次驗證也挺有意思的。

研究人員非常坦誠他們沒有用到大量數據的事實,或許再過10多年,有了來自IceCube和其他探測器的更多數據,這一方法將變得更有效。巴黎第七大學的研究者Véronique Van Elewyck並未參與此次研究,她在《自然》雜誌的一篇評論中指出,研究人員仍然不知道有多少微中子轟擊地球,並且需要更多地瞭解冰的光學特性,以減少實驗的不確定性。她還寫道,關於微中子如何更普遍地與物質相互作用的問題,目前仍存在著許多實驗上的不確定性。

隨著數據越來越豐富,以及相關實驗的增多(可能還要再花上十年或二十年時間),微中子或許真的能成為測量地球內部結構的有用工具。

冰立方微中子觀測站

冰立方微中子觀測站(IceCube)有著目前全球最大的微中子探測器,由美國威斯康辛大學主導,集合了來自十多個國家超過300名科學家。這是一個位於南極冰層之下的觀測站,擁有數千個探測器,分佈範圍超過1立方公里。

IceCube建成於2010年12月8日,設計目的是探測能量約1TeV的微中子,研究宇宙中能量極高的天文物理現象。2013年11月,研究團隊宣佈IceCube觀測到28個可能來自太陽系以外的微中子。2018年7月12日,IceCube第一次成功確認高能宇宙微中子的來源。

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