通過仰望蒼穹，我們認識了宇宙。這同時也意味著我們的認識取決於我們所觀測的信號以及它們自身所攜帶的信息。從遠古至今，光一直就是這樣一位孜孜不倦的“信使”。
使用肉眼和望遠鏡，我們一直在探測可見光下的宇宙。但是它們只是通向宇宙的一小扇窗戶。20世紀當人類在地球上建造了射電望遠鏡並且發射衛星把探測器送出大氣層時，宇宙展現出了它更多姿多彩的一面。紅外觀測數據向我們展示了貫穿我們銀河系的低溫氣體，高能γ射線則書寫下了遙遠星系中的劇烈爆發。所有這些輻射都攜帶了它們發出地的信息。但我們的大氣層會吸收除了可見光和射電波之外的絕大部分輻射
[圖片說明]：太陽能源來自於其核心的核聚變反應。這些反應會產生中微子。
所有的地面和空間天文臺都有一個共同點，它們所探測的都是電磁波譜中的某一段。但現在天文學家們正在打開一扇不依賴於電磁波的新窗戶，而充當“信使”的則是宇宙中一種難以捉摸的粒子——中微子。
神秘的中微子
中微子是由放射性衰變和核聚變過程所產生的諸多粒子中的一種。它不帶電荷，幾乎沒有質量，與物質的相互作用也極其微弱。一箇中微子可以穿過數光年厚的鉛層而不“驚擾”其中的任何一個原子。
20世紀初當物理學家把一次放射性衰變前後的能量和動量加起來的時候，他們發現兩者無法平衡。於是奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出一種尚未被探測到的粒子帶走了這部分不見了的能量和動量。科學家們給這種假想中的粒子起了個名字叫“中微子”，意思是“中性的小不點兒”。
然而由於和物質的相互作用極其微弱，因此探測中微子幾乎就成了不可能的任務。事實上，直到1956年科學家使用核反應堆發射出的中微子“洪流”才探測到了這些粒子。物理學家弗雷德裡克·萊因斯（Frederick Reines）因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。從那時起，物理學家開始可以更好地探測並且製造出這些難以捉摸的粒子了。
那麼這和天文學又有什麼關係呢？其實，宇宙中許多最重要的過程——從驅動恆星的核聚變反應到產生重元素的超新星暴發——都會釋放出中微子這一“副產品”。而事實上，宇宙中也充滿著中微子。於是你就可以把它們當成是自然界中的另一個信使，只不過它們所攜帶的都是和核反應以及劇烈現象有關的信息。
兩面性
中微子的難以捉摸既是一個好消息也是一個壞消息。一方面，中微子不與物質發生相互作用意味著它們可以輕易地逃離產生它們的地方並且把信息傳遞給我們。例如，太陽中心核聚變所產生的中微子可以毫髮無損地穿越太陽的外部包層以及地球大氣。探測它們使得我們可以直視太陽的心臟。
同時，中微子還可以不受充斥在宇宙中的微波輻射的影響穿行於星系之間。星系的磁場不會對它們造成影響，但對於普通帶電粒子（例如質子和電子）卻並非如此。這些特性使中微子成為了攜帶宇宙中最劇烈現象信息的理想載體。這些現象包括了活動星系核以及會產生γ射線暴——宇宙中最猛烈的爆發——的黑洞併合。
這是好的一面。壞的一面是，由此對中微子的探測也會變得極為困難。
當你讀到這兒的時候，正有幾十億個的中微子在穿過你的身體。其中絕大部分來自太陽，一些來自遙遠的星系，還有的甚至還可能來自宇宙最初的大爆炸。從出生的那一刻起中微子就在不斷地穿過你的身體，然而在你的整個一生中只有少數的幾個中微子會和你身體中的原子發生相互作用。探測這些相互作用並且把它們和其他的效應區分開是中微子天體物理學的核心要務。
如果我們想透過中微子的窗口向天空望去，就必須要先解決兩個問題。其中顯而易見的一個就是中微子極難與物質發生相互作用。解決的方法很簡單。如果一箇中微子和一個給定原子間的相互作用概率非常低，那麼就可以通過在一個大探測器中放入巨量的原子來使得中微子和物質的相互作用變得更頻繁。
第二個問題則更加微妙。當我們“探測”到中微子時，我們實際上看到的是原子所做的反衝運動或者是由中微子引發的一次原子核反應。隨之而來的是，是否還存在其他的東西也能造成同樣的結果？例如，被稱為“宇宙射線”的高能粒子也在不斷地轟擊地球表面。搞清楚哪些效應是宇宙射線引起的並且把它們從中微子造成的反應中區分開並不是一件容易的事情。科學家們將其稱為“背景”問題。
尋找“九牛”之“一毛”
20世紀60年代開始，美國賓夕法尼亞大學的雷·戴維斯（Ray Davis）為解決這些問題進行了首次嘗試。他為中微子設定的標靶是一大罐四氯乙烯——一種乾洗化學劑和氯的原料。戴維斯開玩笑說，如果他的實驗失敗了，他總還可以加入清潔工的行列。
為了應對背景問題，戴維斯把他的實驗放到了位於美國南達科他州霍姆斯特克金礦地下1.6千米深的地方。在那裡有厚厚的岩層“保護”著實驗裝置。他的目標是要尋找太陽中心核聚變反應所產生的中微子。在他充滿液體的大罐子裡，每一天這些太陽中微子會把一個氯原子轉變成一個氬原子。為此他不得不在這片清潔劑的海洋中尋找這些孤獨的氬原子。與之相比，“大海撈針”簡直就是兒戲！
[圖片說明]：日本的超級神岡探測器使用了11,146個光電倍增管來作為光探測器。這一實驗開始於1996年，在2001年由於大約一半的光電倍增管在一次連鎖反應中爆裂而終止。差不多一年之後，探測器得以修復。
就像以往科學家探索新疆域一樣，戴維斯的實驗結果出乎了所有人的預料。他確實探測到了太陽的中微子，但在此過程中他還發現一個與中微子和太陽有關的重要現象。戴維斯的實驗僅僅探測到了中微子預期數量的三分之一。是他的實驗出了問題嗎？還是物理學家對於能探測到多少中微子的計算出了差錯？抑或是我們並沒有完全瞭解這其中的物理學？最終發現中微子其實有三種，不同的種類之間可以轉化。這一發現已經成為現代物理學的理論基石。戴維斯也因此獲得2002年的諾貝爾物理學獎。
繼戴維斯的成功之後，物理學家們又建造了第二代中微子探測器。所有的都是深藏於北美、歐洲和日本地下的大質量標靶探測器。許多人採用了一種新的探測策略，即用超純水作為標靶。
當中微子從水中穿過的時候通過核反應會產生出一個帶電粒子。在水中這個粒子會發出錐形的藍色光脈衝，即切倫科夫輻射——以俄羅斯物理學家帕維爾·切倫科夫（Pavel Cerenkov）命名。圍繞水箱放置的一系列探測器會探測這些輻射。這些實驗的策略很簡單——大量的水既能作為和中微子相互作用的標靶，也能用作探測這一相互作用產物的媒質。有了這些以及其他類似的儀器，宇宙的中微子窗戶正在徐徐打開。
冰：天然的實驗室
不過，當涉及要搜尋和極端劇烈的現象相關聯的罕見中微子時，超純水探測器雖然很巨大，但對於這個任務而言還是太小。這些由高能現象發出的中微子非常稀有，如果使用幾十米見方的水箱，那麼科學家也許不得不要等上幾十年才會有一個這樣的中微子和水箱中的一個原子發生相互作用。因此現在需要的是一個能覆蓋幾千米見方巨大體積的探測器。
位於南極的“冰立方”中微子天文臺包含了一立方千米的冰，可能是有史以來所建造的最壯觀的天文儀器。在這個探測器中，冰取代了以往探測系統中的超純水做為探測標靶和監測中微子相互作用產物的媒質。
[圖片說明]：“冰立方”
那麼，為什麼要選在南極？為了尋找高能中微子，科學家們需要一立方千米的透明標靶物質。而科學家們建造不出如此巨大的一個探測器，於是便轉向大自然求助。南極地區的冰層可以達到2,800米厚，而且現在定期飛往南極的運輸航線也已經不再是一個問題。
建造“冰立方”的技術說起來其實很簡單，但做起來卻要難得多。工程人員會使用高壓熱水在冰層上鑽出一系列2,450米深的洞，每一個大約要耗時40個小時才能完成。隨後，一條連著60個探測器的電纜會被放入每個洞中，之後其周圍的水會再次封凍。當中微子觸發了與冰中的一個原子的相互作用時，所產生的粒子就會發出閃光，而這一閃光就會被探測器記錄下來。根據這些數據，位於冰面的計算機就可以重建出每個中微子的特性。例如，它們可以確定出中微子的能量和入射的方向。
在第一批探測器被放置到冰層下之後，科學家們發現探測器的工作不正常，這著實引發了不大不小的驚慌。後來發現，原來是冰層中的微小氣泡在信號到達探測器前就散射了這些光。幸運的是，在深度超過1,400米的地方，冰層的壓力非常高，任何氣泡都會被壓破，在那裡可以觀測到清晰的信號。因此，“冰立方”的頂部始於冰面下方1,450米，然後在這個基礎上再向下延伸1,000米。
到2008～2009年南極的夏季結束時，工程人員已經安裝了計劃中80根探測電纜中的59根。整個計劃已於2010年底完成。不過即使當初只有部分儀器被安裝到位，科學家們卻已經開始採集數據了。
[圖片說明]：在南極冰蓋上向下鑽探2,450米之後，科學家會把一串掛有60個探測模塊的電纜放入這個洞中。
“冰立方”看到的絕大部分中微子都是由地球大氣所產生的大氣中微子。入射的宇宙射線和其他的碰撞會引發核反應。這些事件遠多於入射中微子所引發的相互作用，它們的比例超過了500,000比1——一個嚴重的背景問題。因此，“冰立方”的科學家也在尋找由下往上朝向冰面運動中微子。這些中微子是穿過了整個地球才到達“冰立方”的，沒有其他種類的粒子可以做到這一點。於是，地球“自然”地屏蔽掉了會干擾探測的背景噪音。
這一設計的驚人一面是位於南極的“冰立方”可以探測到發生在北極的廣延大氣簇射。這些事件是由於超高能宇宙線轟擊北極上空的大氣造成的，由此引發的核反應會產生數百萬個向下運動的粒子。其中一些中微子就會穿越地球被另一端的“冰立方”探測到。
科學家預期它可以觀測到超過100萬個的高能中微子事件。這將為我們提供一個分析宇宙中最劇烈現象的龐大數據庫，並且還有可能會引發新的物理學革命。
不過，正如過去我們打開其他新的宇宙窗口時所遇到的，打開中微子窗口時將會發現的最重要的東西一定是我們始料未及的。
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