“冰立方”发现了太空中最奇怪的信号: 没有伽马闪光的中微子流

来自遥远星系的强大中微子暗示了一个令人惊讶的起源：黑洞附近的氦原子被紫外线撕裂，重塑了我们对宇宙喷流的认识。

在深空，强大的中微子通常与伽马射线爆发一起被发现。但NGC1068星系的表现却不同 —— 它发出了一股强烈的中微子流，而伽马辐射却少得惊人，这给科学家们留下了一个宇宙之谜。

一项新的研究提供了一个大胆的解释：星系喷流中的氦原子与星系中心附近的强紫外线发生碰撞。这些碰撞使原子分裂，释放出中子，中子衰变为中微子，而不释放出太多的伽马射线光。

这一发现为超大质量黑洞附近的极端条件提供了新的视角，比如NGC1068中的黑洞，甚至是我们银河系中的黑洞。它还加深了我们对辐射和亚原子粒子如何相互作用的理解，可能为未来科学技术的突破铺平道路。

鱿鱼星系中的中微子之谜

在南极冰层的深处有一个非凡的科学仪器 —— 成千上万的传感器就像“眼睛”一样，能够探测到宇宙中最难以捉摸的粒子之一：中微子。最近，这些传感器发现了一些意想不到的东西。在一个名为NGC1068的遥远星系，也被称为鱿鱼星系，科学家们探测到异常强烈的中微子爆发。但让这一发现如此令人困惑的是，它伴随着很少的伽马射线辐射，而伽马射线通常伴随着高能中微子出现。

这些传感器属于冰立方中微子观测站（IceCube Neutrino Observatory），这是一个嵌入在一立方公里透明南极冰中的大型实验项目。现在，一个由加州大学洛杉矶分校、大阪大学和东京大学Kavli研究所的理论物理学家组成的团队提出了一个大胆的新想法。他们相信来自NGC 1068的中微子可能以一种完全不同于预期的方式产生，这为粒子天体物理学开辟了令人兴奋的新篇章。

是什么让中微子如此难以捉摸

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，甚至我们自己的身体而不留痕迹。这就是它们很难被发现的原因。建造冰立方的5160个传感器是为了捕捉中微子与冰相互作用的罕见时刻，当中微子与冰相互作用时，产生带电粒子，留下可探测的痕迹。

加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授、Kavli IPMU高级研究员亚历山大·库申科（Alexander Kusenko）说：“我们有利用光观察恒星的望远镜，但许多天体物理系统也会发射中微子。”“为了看到中微子，我们需要一种不同类型的望远镜，这就是我们在南极的望远镜。”

来自NGC1068的意外数据

冰立方中微子望远镜探测到来自NGC 1068的高能中微子，伴随着微弱的伽马射线流，这暗示这些中微子的产生方式可能与之前认为的不同。NGC 1068的数据令人费解，因为通常情况下，来自活跃星系中心的高能中微子被认为是由质子和光子之间的相互作用产生的，产生的伽马射线强度相当。因此，高能中微子通常与高能伽马射线配对。

NGC 1068的伽马射线发射明显低于预期，并显示出明显不同的光谱形状。传统的模型，包括基于质子-光子碰撞和星系热等离子体区域（称为“日冕”）发射的模型，已被广泛用于解释此类中微子信号，但它们面临着理论上的限制，促使人们寻找新的解释。

一个全新的中微子理论出现了

在一篇发表在《物理评论快报》上的新论文中，亚历山大·库申科和他的同事认为，NGC 1068的高能中微子主要是由于星系喷流中的氦核在强烈的紫外线辐射下分裂时中子的衰变。当这些氦核与星系中心区域发射的紫外线光子碰撞时，它们会分裂，释放出中子，随后衰变为中微子。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。这种情况很好地解释了为什么中微子信号明显超过伽马射线发射，并解释了在中微子和伽马射线中观察到的不同能谱。

揭开超大质量黑洞的秘密

这一突破有助于科学家理解活跃星系中的宇宙喷流是如何在没有相应的伽马射线辉光的情况下发射出强大的中微子的，从而为超大质量黑洞周围极端复杂的条件提供了新的视角，包括我们银河系中心的黑洞。

“我们对NGC1068星系中心附近的中心极端区域知之甚少，”库申科说。“如果我们的假设得到证实，它就会告诉我们一些关于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，它会撞向光子并分裂，将两个质子和两个中子洒向太空。质子可以飞走，但中子是不稳定的，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Koichiro Yasuda说。“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。但是中子有另外一种形成中微子的方式，这种方式不会产生伽马射线。所以氦是我们从NGC 1068观测到的中微子最有可能的来源。”

微弱的信号，巨大的启示

这项工作揭示了隐藏的天体物理中微子源的存在，这些中微子源的信号以前可能由于其微弱的伽马射线特征而被忽视。

“这个想法提供了一个超越传统日冕模型的新视角。NGC 1068只是宇宙中许多类似星系中的一个，未来对它们的中微子探测将有助于测试我们的理论，并揭示这些神秘粒子的起源，”大阪大学天体物理学教授Yoshiyuki Inoue说。

像NGC 1068一样，我们的星系在其中心也有一个超大质量黑洞，在那里，难以估量的巨大引力和能量确实会撕裂原子，中微子的发现也适用于我们的星系。虽然从了解银河系中心到改善人类福利并不一定是一条直线，但通过研究中微子等粒子和伽马射线等辐射获得的知识有一种趋势，即引领技术走上令人惊讶和变革的道路。

从无用的发现到全球科技

“当J.J.汤普森因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖时，他在颁奖典礼后的晚宴上致了一个著名的祝酒词，说这可能是历史上最无用的发现，”库申科说。“当然，今天的每一部智能手机、每一台电子设备，都在使用汤普森近125年前的发现。”

库申科还说，粒子物理学催生了万维网，万维网最初是由需要在实验室之间移动大量数据的物理学家开发的网络。他指出，核磁共振的发现在当时似乎很晦涩，但却导致了磁共振成像技术的发展，现在已被常规应用于医学。

“我们站在中微子天文学新领域的起点，来自NGC 1068的神秘中微子是我们必须解决的难题之一，”库申科说。“对科学的投资将产生一些你现在可能无法欣赏的东西，但几十年后可能会产生重大影响。这是一项长期投资，私营公司不愿投资于我们正在进行的这种研究。这就是为什么政府对科学的资助如此重要，这就是为什么大学如此重要。”

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