幽靈粒子縱穿地球,首次“量出”地球質量

幽靈粒子縱穿地球,首次“量出”地球質量


棲身於這個藍色的星球,隨著它在茫茫宇宙中遨遊,你可知我們腳下的地球,它的體重是多少?地球上各個部分質量的分佈又是怎樣的呢?

科學家們很早就對地球的質量進行了估算,在地球的重力場下,我們的星球大約重達13.17×1024磅(相當於5.974×1024千克) 。但是這個數字是根據地球的引力間接計算出來的。另外,科學家們試圖通過在地球內傳播的地震波來測量地球質量的分佈情況,但結果不是很精確。

最近,西班牙菲西卡粒子研究所(Instituto de Fisica particle ,IFIC)的研究人員提出了一種新的方法,他們巧妙地利用了中微子探測器,來研究地球內部的質量分佈情況。


幽靈粒子縱穿地球,首次“量出”地球質量


在11月5日發表於《自然·物理》上的一篇論文中,他們利用了冰立方中微子觀測臺(IceCube Neutrino Observatory)的觀測數據,來估算地球的質量和密度分佈。冰立方中微子觀測臺是位於南極的一個大型觀測臺,能夠探測到來自四面八方的幽靈般的中微子,包括來自地球內部的中微子。

中微子是相互作用極其微弱的粒子,所以它們穿過大多數物質的時候並不會被探測到。不過當它們穿過像地球這樣的巨大而緻密的物體時,一部分中微子最終會與其他物質碰撞並消失。特別是高能中微子,它們經常與其他物質碰撞,很少能穿過地球。

研究人員從冰立方觀測臺拿到了穿過地球的中微子的數據,然後反推出有多少中微子由於跟地球碰撞而沒能離開地球。據此,他們很好地估算出了有多大質量的物質擋住了中微子,以及這些質量所在的位置。換一種說法,他們是通過研究地球遮擋下中微子的陰影,來計算出地球的質量的。

從結果來看,這個方法相當的好用。科學家們對地球質量給出了與前人類似的估計

:大約13×1024磅(6×1024千克)。他們還測量出地核的質量為6×1024磅(2.72×1024千克),佔地球總質量的45%,遠遠高於根據地震波測量出的33% 的結果。

法國巴黎狄德羅大學天體粒子與宇宙學實驗室的天體物理學家Veronique Van Elewyck在《自然·物理》雜誌的一篇評論文章中稱,這篇論文是很好地證明了該概念可行。雖然Van Elewyck 沒有參與這項研究,但她認為,未來10到15年,這種方法很可能會被用來探索地球的內部。她還寫道,相比於瞭解地球內部的具體信息,更重要的是,這篇論文告訴了我們利用中微子進行探測的有效性。但是,想要得到有用的計算結果,她寫道,科學家還需要冰立方和其他仍在建設中的探測器提供更多的數據。


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