IceCube天文台发现太空中的奇特信号：没有伽马闪光的中微子洪流

来自遥远星系的强大中微子暗示了一个令人惊讶的起源：氦原子被黑洞附近的紫外线撕裂，重塑了我们对宇宙喷流的认知。在深空，强大的中微子通常会伴随伽马射线爆发而来。但NGC 1068星系却表现得与众不同——它发出的是一股强大的中微子流，但伽马射线却出奇地少，这给科学家们留下了一个宇宙之谜。

冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）部分埋藏于冰层中的探测器效果图。图片来源：Jamie Yang，冰立方合作组织

一项新研究提供了一个大胆的解释：该星系喷流中的氦原子与其中心附近的强紫外线发生碰撞。这些碰撞导致原子分裂，释放出中子，中子衰变成中微子，但不会释放出太多的伽马射线。

这一发现为理解超大质量黑洞（例如NGC 1068中的黑洞，甚至我们银河系中的黑洞）附近的极端条件提供了新的线索。它还加深了我们对辐射和亚原子粒子相互作用方式的理解，可能为未来科学技术的突破铺平道路。

螺旋星系 NGC 1068 的哈勃图像。图片来源：NASA / ESA / A. van der Hoeven

在南极冰层深处，埋藏着一台非凡的科学仪器——数千个像“眼睛”一样的传感器，能够探测到宇宙中最难以捉摸的粒子之一：中微子。最近，这些传感器发现了意想不到的发现。在一个名为NGC 1068（又名鱿鱼星系）的遥远星系中，科学家们探测到了一次异常强烈的中微子爆发。但这一发现令人费解的是，它伴随的伽马射线辐射非常少，而伽马射线通常与高能中微子同时出现。

这些传感器属于冰立方中微子观测站（IceCube Neutrino Observatory），这是一个嵌入在南极洲一立方公里厚的透明冰层中的大型实验装置。现在，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）、大阪大学（ University of Osaka ）和东京大学卡夫利研究所（Kavli Institute）的理论物理学家团队提出了一个大胆的新想法。他们认为，NGC 1068 中微子的产生方式可能与预期完全不同，这将开启粒子天体物理学激动人心的新篇章。

中微子是微小的亚原子粒子，几乎不与物质相互作用。与电子等其他粒子不同，中微子可以直接穿过行星、恒星，甚至我们自身的身体，不留任何痕迹。正因如此，它们才如此难以探测。IceCube 的 5160 个传感器旨在捕捉中微子与冰相互作用的罕见瞬间，从而产生留下可探测轨迹的带电粒子。

“我们拥有利用光观测恒星的望远镜，但许多天体物理系统也会发射中微子，”加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、卡夫利物理监测单元高级研究员亚历山大·库森科（Alexander Kusenko）说道。“为了观测中微子，我们需要不同类型的望远镜，而南极的这台望远镜正是我们所需要的。”

银河系下的冰立方实验室。图片来源：Martin Wolf，IceCube/NSF

冰立方中微子望远镜探测到来自NGC 1068的高能中微子，并伴有微弱的伽马射线通量，这暗示这些中微子的产生方式可能与之前的认识不同。NGC 1068的数据令人困惑，因为通常认为来自活跃星系中心的高能中微子源于质子和光子的相互作用，产生强度相当的伽马射线。因此，高能中微子通常与高能伽马射线配对。

NGC 1068 的伽马射线辐射明显低于预期，并呈现出截然不同的光谱形状。传统模型，包括基于质子-光子碰撞以及该星系热等离子体区域（被称为“日冕”）的辐射的模型，已被广泛用于解释此类中微子信号，但它们面临着理论局限性，促使人们寻找新的解释。

在发表于《物理评论快报》的一篇新论文中，库森科及其同事认为，NGC 1068 的高能中微子主要源于星系喷流中氦核在强紫外线辐射下分裂时产生的中子衰变。当这些氦核与星系中心区域发射的紫外线光子碰撞时，它们会发生碎裂，释放出中子，随后中子衰变为中微子。由此产生的中微子的能量与观测结果相符。

此外，这些核衰变产生的电子与周围的辐射场相互作用，产生与观测到的较低强度一致的伽马射线。这一场景巧妙地解释了为什么中微子信号显著地胜过伽马射线的发射，并解释了在中微子和伽马射线中观察到的不同能谱。

这一突破有助于科学家了解活跃星系中的宇宙喷流如何在没有相应伽马射线辉光的情况下发射强大的中微子，从而为超大质量黑洞（包括我们银河系中心的黑洞）周围的极端复杂条件提供了新的见解。

“我们对NGC1068星系中心附近的中心极端区域了解不多，”库森科说。“如果我们的设想得到证实，它将揭示一些有关该星系中心超大质量黑洞附近环境的信息。”

这篇新论文提出，如果一个氦核在超大质量黑洞的喷流中加速，它会撞击成光子并分裂，将两个质子和两个中子释放到太空中。质子可以飞走，但中子不稳定，会分裂或衰变成中微子，而不会产生伽马射线。

“氢和氦是太空中最常见的两种元素，”第一作者、加州大学洛杉矶分校博士生安田晃一郎（Koichiro Yasuda）说道。“但氢只有一个质子，如果这个质子遇到光子，就会产生中微子和强伽马射线。而中子还有另一种形成中微子的方式，不会产生伽马射线。因此，我们从NGC 1068观测到的中微子最有可能的来源是氦。”

这项研究揭示了隐藏的天体物理中微子源的存在，由于其伽马射线特征微弱，其信号以前可能未被注意到。

“这个想法提供了一个超越传统日冕模型的新视角。NGC 1068 只是宇宙中众多类似星系中的一个，未来对它们的中微子探测将有助于检验我们的理论，并揭示这些神秘粒子的起源，”论文合著者、大阪大学天体物理学教授井上义之说道。

与NGC 1068一样，我们的星系中心也有一个超大质量黑洞，那里深不可测的巨大引力和能量足以将原子撕裂，而中微子的发现也适用于我们的星系。虽然了解银河系中心与改善人类福祉之间并不一定存在直接联系，但通过研究中微子等粒子和伽马射线等辐射所获得的知识，往往会引领科技走向令人惊喜且具有变革性的道路。

“1906年，JJ·汤普森因发现电子而获得诺贝尔物理学奖时，他在颁奖典礼后的晚宴上发表了著名的祝酒词，称这可能是历史上最没用的发现，”库森科说。“当然，如今每部智能手机，每台电子设备，都利用了汤普森近125年前的发现。”

库森科还表示，粒子物理学催生了万维网，它最初是由需要在实验室之间传输大量数据的物理学家开发的。他指出，核磁共振的发现在当时似乎并不为人所知，但却推动了磁共振成像技术的发展，而该技术如今已在医学领域得到常规应用。

“我们正处于中微子天文学这一新兴领域的起步阶段，而来自NGC 1068的神秘中微子正是我们在此过程中必须解决的难题之一，”库森科说道。“对科学的投入将会产生一些现在可能无法意识到的东西，但几十年后可能会带来巨大的影响。这是一项长期投资，而私营公司往往不愿投资我们正在进行的这类研究。正因如此，政府对科学的资助才如此重要，大学也因此如此重要。”

编译自/ScitechDaily