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“中微子工廠”可能掌握著宇宙射線之謎的答案

新研究表明，來自太空深處轟擊地球的高能粒子可能起源于耀斑星。

一位藝術(shù)家的插圖展示了一顆耀變體如何將中微子和宇宙射線加速到極高速度。圍繞超大質(zhì)量黑洞的吸積盤中心，噴射出一股狹窄的高能物質(zhì)射流，垂直于吸積盤，沖向太空。

（圖片來源：DESY，科學(xué)傳播實(shí)驗(yàn)室）

最新研究發(fā)現(xiàn)，從遙遠(yuǎn)太空轟擊地球的高能中微子和宇宙射線，來自于耀變體——一種活躍的星系核，藏在星系中心，由超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動(dòng)。

研究人員知道，宇宙射線是來自深空的帶電粒子，以高達(dá)1020電子伏的能量不斷撞擊地球——這比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）產(chǎn)生的能量還要高出一百萬倍。但到底是什么讓這些粒子以如此強(qiáng)大的力量穿越數(shù)十億光年，至今仍然是個(gè)謎。

這是因?yàn)橛钪嫔渚€由帶電粒子組成，在它們從源頭穿越數(shù)十億光年來到地球的途中，會(huì)不斷受到各個(gè)星系磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，因此我們無法追蹤它們來自哪里。

一些產(chǎn)生宇宙射線的過程和事件也會(huì)釋放出天體中微子，這些“幽靈般”的粒子可能是揭開這一謎題的“信使”，一組天體物理學(xué)家認(rèn)為。

“天體中微子只在涉及宇宙射線加速的過程中產(chǎn)生。”來自維爾茨堡大學(xué)（JMU）的天體物理學(xué)教授Sara Buson在一份聲明中說。

中微子是一種沒有電荷、質(zhì)量極小的粒子，它們與物質(zhì)幾乎不發(fā)生作用，可以穿過星系、行星，甚至人體而幾乎不留下痕跡。由于他們不帶電，因此不會(huì)像宇宙射線那樣在旅途中被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，這也使得它們的來源能更準(zhǔn)確地被追蹤。

2017年科學(xué)家探測(cè)到一個(gè)中微子信號(hào)，追蹤后發(fā)現(xiàn)它來自耀變體TXS 0506+056。因此，Buson提出，耀變體可能就是這些高能中微子的來源——它們釋放出的輻射甚至超過了周圍整個(gè)星系中所有橫穿加起來的總和。

這張圖像由NASA的廣角紅外巡天探測(cè)器（WISE）拍攝，顯示的是一個(gè)耀變體——也就是一個(gè)吞噬力極強(qiáng)的超大質(zhì)量黑洞，它位于某個(gè)星系內(nèi)部，噴流正好對(duì)準(zhǔn)了地球。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Kavli）

2021年，她和團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了一項(xiàng)多信使天文項(xiàng)目，試圖進(jìn)一步確認(rèn)這種關(guān)聯(lián)，這種方法結(jié)合了“傳統(tǒng)”天文觀測(cè)與中微子觀測(cè)。新的研究成果是來自IceCube中微子天文臺(tái)的數(shù)據(jù)——這是有史以來最靈敏的中微子探測(cè)器，位于南極冰層深處。

研究團(tuán)隊(duì)利用這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，中微子的來源方向和耀變體的位置吻合得足夠頻繁，無法用純粹得巧合來解釋，這為中微子和耀變體之間的聯(lián)系提供了第一份確鑿證據(jù)。

“我們反復(fù)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，隨即情況下出現(xiàn)比實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)更強(qiáng)關(guān)聯(lián)的概率只有一百萬分之一，”日內(nèi)瓦大學(xué)天文系的研究人員Andrea Tramacere說?！斑@表明我們的關(guān)聯(lián)是有力且且可信的?！?/p>

由于這些中微子是在加速和發(fā)射宇宙射線的地方產(chǎn)生的，這也意味著類星體噴流同樣是宇宙射線的加速器。研究人員認(rèn)為，這可能與類星體噴流中心的超大質(zhì)量黑洞吞噬周圍氣體和塵埃的物質(zhì)的過程有關(guān)——這些物質(zhì)再最終“喂食”到黑洞表面前，會(huì)經(jīng)歷劇烈的加速和能量釋放。

旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)把周圍的時(shí)空一起拖動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做框拖效應(yīng)貨倫斯——提林進(jìn)動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)原因，黑洞附近的物質(zhì)無法靜止下來，這也讓粒子的加速變得更容易。