盡管我們已經(jīng)突破了大氣層，可以從太空中俯瞰地球，但我們?nèi)匀徊恢肋@個(gè)藍(lán)色星球到底有多重，以及它的重量是如何分布的。
當(dāng)然，研究者已經(jīng)做了一些盡可能準(zhǔn)確的估計(jì)。根據(jù)加州理工學(xué)院的數(shù)據(jù)，地球在一個(gè)類似地球的重力場(chǎng)中，其重量為5.974×10^24千克。不過(guò)，這個(gè)數(shù)字來(lái)自基于地球重力的間接計(jì)算方法。科學(xué)家還嘗試過(guò)用地震波來(lái)計(jì)算地球質(zhì)量的分布，但結(jié)果并不十分精確。
于是，來(lái)自西班牙微粒子物理研究所（Instituto de Física Corpuscular）的研究團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)巧妙的方法，通過(guò)宇宙中一種神秘的粒子來(lái)探索地球的質(zhì)量分布。這種極輕的宇宙粒子便是中微子，需要用特殊的探測(cè)器才能捕捉到它們的蹤跡。
在發(fā)表于11月5日《自然-物理學(xué)》（Nature Physics）雜志的論文中，研究人員采用南極洲冰立方中微子觀測(cè)站（IceCube）的數(shù)據(jù)，對(duì)地球的密度分布進(jìn)行了估算。冰立方可以感知到來(lái)自各個(gè)方向的中微子，包括那些穿過(guò)整個(gè)地球的中微子。
中微子是一種電中性的基本粒子，質(zhì)量相比其他亞原子粒子而言非常微小。在4種基本作用力中，它們不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，只參與弱相互作用和引力相互作用。由于弱相互作用的作用距離非常短，而引力相互作用在亞原子尺度下十分微弱，因此中微子在穿過(guò)一般物質(zhì)時(shí)不會(huì)受到太多阻礙，而且非常難以檢測(cè)到。在穿過(guò)像地球這樣巨大、密集的物體時(shí)，一些中微子最終會(huì)與其他物質(zhì)碰撞并消失。特別是高能中微子，它們經(jīng)常與其他物質(zhì)碰撞，很少能穿過(guò)地球。
利用IceCube采集的穿過(guò)地球的中微子數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)行了逆向計(jì)算，估計(jì)出有多少中微子未能穿過(guò)地球到達(dá)IceCube。由此，他們對(duì)阻擋這些中微子的物質(zhì)質(zhì)量，以及這些質(zhì)量的分布進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的估算。從某種程度上，他們是通過(guò)研究中微子的影子計(jì)算出了地球的質(zhì)量。
從結(jié)果對(duì)比來(lái)看，這種方法應(yīng)該是可行的。研究人員估算的結(jié)果是，地球重量約為6×10^24千克，與加州理工學(xué)院的估算結(jié)果差不多。他們還測(cè)量了地核的質(zhì)量，約為2.72×10^24千克，相當(dāng)于地球總質(zhì)量的45%，顯著高于地震波方法測(cè)量的結(jié)果，后者估計(jì)地核質(zhì)量占地球總質(zhì)量的33%。
在《自然-物理學(xué)》雜志上一篇隨附的新聞?dòng)^點(diǎn)文章中，巴黎第七大學(xué)天文學(xué)和宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家Véronique Van Elewyck表示，這項(xiàng)研究是很好的“概念證明”。Van Elewyck并未參與該研究，她指出，再過(guò)10年到15年，研究者將很可能會(huì)使用這類計(jì)算方法來(lái)探測(cè)地球內(nèi)部。
當(dāng)然，為了獲得更精確的計(jì)算結(jié)果，科學(xué)家還需要更多來(lái)自IceCube和其他中微子探測(cè)站的數(shù)據(jù)。這種方法是否比其他計(jì)算地球質(zhì)量和探測(cè)地球內(nèi)部特征的方法更有效，還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。這一方法還可能幫助科學(xué)家了解地球的所有質(zhì)量是否都來(lái)自普通物質(zhì)，也許一些質(zhì)量屬于會(huì)避開(kāi)中微子的物質(zhì)，比如暗物質(zhì)。
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