“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。圍繞超大質量黑洞的吸積盤中心，噴射出一股狹窄的高能物質射流，垂直于吸積盤，沖向太空。

（圖片來源：DESY，科學傳播實驗室）

最新研究發現，從遙遠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，由超大質量黑洞驅動。

研究人員知道，宇宙射線是來自深空的帶電粒子，以高達1020電子伏的能量不斷撞擊地球——這比大型強子對撞機（LHC）產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大的力量穿越數十億光年，至今仍然是個謎。

這是因為宇宙射線由帶電粒子組成，在它們從源頭穿越數十億光年來到地球的途中，會不斷受到各個星系磁場的偏轉，因此我們無法追蹤它們來自哪里。

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

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

中微子是一種沒有電荷、質量極小的粒子，它們與物質幾乎不發生作用，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，因此不會像宇宙射線那樣在旅途中被磁場偏轉，這也使得它們的來源能更準確地被追蹤。

2017年科學家探測到一個中微子信號，追蹤后發現它來自耀變體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器（WISE）拍攝，顯示的是一個耀變體——也就是一個吞噬力極強的超大質量黑洞，它位于某個星系內部，噴流正好對準了地球。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Kavli）

2021年，她和團隊啟動了一項多信使天文項目，試圖進一步確認這種關聯，這種方法結合了“傳統”天文觀測與中微子觀測。新的研究成果是來自IceCube中微子天文臺的數據——這是有史以來最靈敏的中微子探測器，位于南極冰層深處。

研究團隊利用這些數據發現，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系提供了第一份確鑿證據。

“我們反復進行了模擬實驗后發現，隨即情況下出現比實際觀測數據更強關聯的概率只有一百萬分之一，”日內瓦大學天文系的研究人員Andrea Tramacere說。“這表明我們的關聯是有力且且可信的。”

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

旋轉的黑洞會把周圍的時空一起拖動，這種現象叫做框拖效應貨倫斯——提林進動。因為這個原因，黑洞附近的物質無法靜止下來，這也讓粒子的加速變得更容易。

“黑洞的吸積過程和轉會形成相對論性噴流，在那里粒子被加速并發射出能量高達可見光能量千億倍的輻射，”Tramacere解釋道。“發現這些天體與宇宙射線之間的關系，可能成為高能天體物理學的‘羅塞塔石碑’。”

根據Tramacere的說法，下一步的研究將是探究那些能發射中微子的耀變體和不能發射中微子耀變體之間的不同。

日內瓦大學的科學家表示：“這將幫助我們理解環境和加速器之間是如何相互作用的。這樣我們就能排除一些模型，提升其他模型的預測能力，并最終為揭開宇宙射線加速這個永恒謎題添上一塊新的拼圖。”

研究團隊的成果發表在《天體物理學快報》上。

BY:Robert Lea

FY:casyo8

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