中微子工厂: 宇宙射线密码的解锁者

“中微子工厂”可能掌握着宇宙射线之谜的答案

新研究表明，来自太空深处轰击地球的高能粒子可能起源于耀斑星。

一位艺术家的插图展示了一颗耀变体如何将中微子和宇宙射线加速到极高速度。围绕超大质量黑洞的吸积盘中心，喷射出一股狭窄的高能物质射流，垂直于吸积盘，冲向太空。

（图片来源：DESY，科学传播实验室）

最新研究发现，从遥远太空轰击地球的高能中微子和宇宙射线，来自于耀变体——一种活跃的星系核，藏在星系中心，由超大质量黑洞驱动。

研究人员知道，宇宙射线是来自深空的带电粒子，以高达1020电子伏的能量不断撞击地球——这比大型强子对撞机（LHC）产生的能量还要高出一百万倍。但到底是什么让这些粒子以如此强大的力量穿越数十亿光年，至今仍然是个谜。

这是因为宇宙射线由带电粒子组成，在它们从源头穿越数十亿光年来到地球的途中，会不断受到各个星系磁场的偏转，因此我们无法追踪它们来自哪里。

一些产生宇宙射线的过程和事件也会释放出天体中微子，这些“幽灵般”的粒子可能是揭开这一谜题的“信使”，一组天体物理学家认为。

“天体中微子只在涉及宇宙射线加速的过程中产生。”来自维尔茨堡大学（JMU）的天体物理学教授Sara Buson在一份声明中说。

中微子是一种没有电荷、质量极小的粒子，它们与物质几乎不发生作用，可以穿过星系、行星，甚至人体而几乎不留下痕迹。由于他们不带电，因此不会像宇宙射线那样在旅途中被磁场偏转，这也使得它们的来源能更准确地被追踪。

2017年科学家探测到一个中微子信号，追踪后发现它来自耀变体TXS 0506+056。因此，Buson提出，耀变体可能就是这些高能中微子的来源——它们释放出的辐射甚至超过了周围整个星系中所有横穿加起来的总和。

这张图像由NASA的广角红外巡天探测器（WISE）拍摄，显示的是一个耀变体——也就是一个吞噬力极强的超大质量黑洞，它位于某个星系内部，喷流正好对准了地球。（图片来源：NASA/JPL-Caltech/Kavli）

2021年，她和团队启动了一项多信使天文项目，试图进一步确认这种关联，这种方法结合了“传统”天文观测与中微子观测。新的研究成果是来自IceCube中微子天文台的数据——这是有史以来最灵敏的中微子探测器，位于南极冰层深处。

研究团队利用这些数据发现，中微子的来源方向和耀变体的位置吻合得足够频繁，无法用纯粹得巧合来解释，这为中微子和耀变体之间的联系提供了第一份确凿证据。

“我们反复进行了模拟实验后发现，随即情况下出现比实际观测数据更强关联的概率只有一百万分之一，”日内瓦大学天文系的研究人员Andrea Tramacere说。“这表明我们的关联是有力且且可信的。”

由于这些中微子是在加速和发射宇宙射线的地方产生的，这也意味着类星体喷流同样是宇宙射线的加速器。研究人员认为，这可能与类星体喷流中心的超大质量黑洞吞噬周围气体和尘埃的物质的过程有关——这些物质再最终“喂食”到黑洞表面前，会经历剧烈的加速和能量释放。

旋转的黑洞会把周围的时空一起拖动，这种现象叫做框拖效应货伦斯——提林进动。因为这个原因，黑洞附近的物质无法静止下来，这也让粒子的加速变得更容易。

“黑洞的吸积过程和转会形成相对论性喷流，在那里粒子被加速并发射出能量高达可见光能量千亿倍的辐射，”Tramacere解释道。“发现这些天体与宇宙射线之间的关系，可能成为高能天体物理学的‘罗塞塔石碑’。”

根据Tramacere的说法，下一步的研究将是探究那些能发射中微子的耀变体和不能发射中微子耀变体之间的不同。

日内瓦大学的科学家表示：“这将帮助我们理解环境和加速器之间是如何相互作用的。这样我们就能排除一些模型，提升其他模型的预测能力，并最终为揭开宇宙射线加速这个永恒谜题添上一块新的拼图。”

研究团队的成果发表在《天体物理学快报》上。

BY:Robert Lea

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