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把整整1立方公里南极冰做成望远镜，他拿下了今年的诺贝尔物理学奖
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把整整1立方公里南极冰做成望远镜，他拿下了今年的诺贝尔物理学奖

把整整1立方公里南极冰做成望远镜，他拿下了今年的诺贝尔物理学奖 DeepTech深科技
2026-10-06
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导读：这台南极冰下的望远镜，差一点在1994年就宣告失败。
10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予美国威斯康星大学麦迪逊分校物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）。获奖理由是表彰其“对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及发现天体物理起源的高能中微子”。
“冰立方”（IceCube）是一座建于南极点的特殊望远镜。它在冰面下1,450米至2,450米深处布设了5,160个光传感器，将1立方公里的南极冰层转化为捕捉中微子的超级探测器。
图丨弗朗西斯·哈尔岑，1944年生于比利时蒂嫩，威斯康星大学麦迪逊分校教授。（来源：Nobel Prize）

从海底到冰原：三十年技术路线之争

冰立方的故事始于三十多年前。1993年平安夜，哈尔岑等待着一个关键消息：他和同事研制的第一根探测串已成功放入南极冰层深处。当时，全球多支团队正竞相尝试在地球上捕捉宇宙高能中微子。
同年，美国的DUMAND项目在夏威夷外海4,800米深的海底布放探测串，但因漏水短路迅速失败；俄罗斯和德国研究团队则在贝加尔湖冰面下放入了三根探测串。海水、湖水和冰层三种技术路线在同一年起步，但结局迥异。
DUMAND项目于1995年终止；贝加尔湖探测器虽坚持下来，但受经费限制规模较小。哈尔岑团队的AMANDA项目初期也遭遇重创：800米至1,000米深的冰层中布满气泡，导致光线散射严重，粒子轨迹无法重建。
转机出现在更深处的冰层。团队将探测器下放至1,500米以下，发现那里的冰层清澈度超出预期。基于此，团队在AMANDA基础上建成了规模更大的冰立方，并于2013年率先捕捉到来自宇宙深处的高能中微子。此时，距离哈尔岑1988年提出设想已过去25年。

为何寻找中微子？破解百年宇宙谜题

寻找高能中微子的源头，旨在回答天体物理学悬而未决百年的问题：宇宙中能量最高的粒子究竟来自哪里？
自1912年维克托·赫斯发现宇宙线以来，人类测得的宇宙线最高能量已达10的20次方电子伏特。然而，宇宙线多为带电粒子，在星际磁场中会发生偏折，到达地球时已无法追溯其源头方向。
中微子则不同。这种不带电、质量极小的粒子几乎不与物质发生作用，能沿直线从源头飞抵地球，且不被尘埃阻挡。只要捕捉到足够多的高能中微子，就能逆向追踪找到宇宙加速器的位置。
图丨来自宇宙的三种“信使”。带电的宇宙线会被磁场偏折，伽马射线可能被尘埃和辐射阻挡，中微子则能沿直线从源头抵达地球。（来源：The Royal Swedish Academy of Sciences）

理论物理学家的“外行”突破

哈尔岑并非实验出身，而是专攻强子研究的理论物理学家。1987年，受南极射电探测思路启发，他提出将DUMAND的光学探测方案移植到冰层中。尽管最初因对冰层光学性质了解不足而备受质疑，但他与同事约翰·勒尼德合作，于1988年提出在南极深冰中探测高能中微子的构想。
在经历早期探测深度选择失误后，团队通过深入钻探证实了深层冰的高透明度。2002年，冰立方计划获美国国家科学基金会（NSF）批准，2004年正式动工。利用特制的高温热水钻机，团队在南极点钻出86个深达2,500米的孔洞，布设了86根探测串，共计5,160个光学模块。整个项目耗资约2.79亿美元，由来自14个国家、58个机构的约450名科学家共同完成。
图丨施工人员在操作冰立方的增强型热水钻。（来源：IceCube/NSF）
图丨冰立方的最后一个光学模块入冰前，合作组成员和施工人员与它合影。（来源：NSF）

“伯特”、“厄尼”与“大鸟”：发现宇宙高能中微子

2011年至2012年间，研究人员在数据中偶然发现了两个能量约为1 PeV的异常事件，分别命名为“伯特”和“厄尼”。这一发现改变了分析策略，团队随后在同一批数据中筛选出更多高能事件。
2013年，包含28个高能事件的成果发表在《科学》杂志上。次年，随着数据积累，显著性达到5.7个标准差，正式确认了宇宙高能中微子的存在。这些中微子主要来自银河系之外，其能量通量与伽马射线和宇宙线相当，暗示它们可能源自同一类天体加速机制。
图丨冰立方结构示意。光学模块挂在长电缆上，分布于冰面以下1450米到2450米之间；中微子与冰中原子核碰撞后产生的光被模块记录下来，数据汇总到冰面上的实验楼，再经卫星传出。（来源：The Royal Swedish Academy of Sciences）

锁定源头：从耀变体到活动星系核

证明中微子存在后，锁定具体源头成为新挑战。2017年9月，冰立方实时警报系统捕捉到一个高能中微子，并在一分钟内向全球天文台发送坐标。费米望远镜和MAGIC望远镜随即在该方向探测到处于爆发期的耀变体TXS 0506+056发出的高能伽马射线。这是人类首次将高能中微子与具体天体对应起来。
2022年，冰立方在活动星系NGC 1068方向发现79个中微子。该星系中心黑洞被厚厚的气体尘埃包裹，传统伽马射线难以穿透，而中微子却能逃逸。这一发现证实了中微子天文学在观测被遮蔽天体方面的独特优势。
图丨2017年9月冰立方发出警报后，参与后续观测的地面和空间望远镜。青色标记为探测到信号的设施，粉色标记为未探测到的设施。（来源：Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube）
图丨哈勃空间望远镜拍摄的旋涡星系NGC 1068（又名M77）。冰立方在它的方向上找到了79个中微子。（来源：NASA）
此外，2023年的观测以5.7个标准差的显著性确认银河系本身也是高能中微子源。尽管如此，目前已知的来源仅能解释一小部分中微子通量，绝大部分宇宙高能中微子的真正起源仍是未解之谜。
图丨示意图，来自银河系盘面的高能中微子抵达南极点的冰立方实验楼。图中的中微子符号为后期合成。（来源：IceCube）

下一代探测器：全球竞赛与中国方案

目前，冰立方升级工程正在进行，计划在阵列中心加装更密集的传感器。规划中的冰立方二代（IceCube-Gen2）拟将探测体积扩大至8立方公里。与此同时，地中海的KM3NeT和贝加尔湖的Baikal-GVD也在持续推进。
图丨冰立方升级工程示意图。新探测串（红色）集中布设在原有阵列的中心，间距比原有探测串更密，图中以埃菲尔铁塔作为尺度参照。（来源：IceCube Collaboration）
中国的“海铃计划”（TRIDENT）由上海交通大学牵头，计划在南海3,500米深海建设监测约8立方公里海水的探测器。该计划已被诺贝尔委员会列为下一代全球中微子望远镜网络的重要组成部分。
从1993年那个充满气泡的冰层，到如今捕捉到来自宇宙深处的信使，哈尔岑及其团队用三十多年的坚持开启了中微子天文学的新纪元。虽然宇宙最高能粒子的起源之谜尚未完全解开，但随着新一代探测器的建成，人类离答案将越来越近。
【声明】内容源于网络
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DeepTech 是一家专注新兴科技的资源赋能与服务机构，以科学、技术、人才为核心，通过科技数据与咨询、出版与影响力、科创资本实验室三大业务板块，推动科学与技术的创新进程。DeepTech 同时是《麻省理工科技评论》中国区独家运营方。
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