幽灵般的中微子粒子正在从附近的星系中爆炸,科学家们不确定为什么

研究人员说,螺旋星系 NGC 1068,也被称为乌贼星系,是一个繁华的中微子生产“迪斯尼乐园”。

在附近的螺旋星系 NGC 1068 的中心,研究人员发现了一个蓬勃发展的幽灵粒子“工厂”,称为中微子。 (图片来源:NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ。)
在附近的螺旋星系 NGC 1068 的中心,研究人员发现了一个蓬勃发展的幽灵粒子“工厂”,称为中微子。 (图片来源:NASA/JPL-Caltech/Roma Tre Univ。)

科学家们发现,附近的一个螺旋星系正在喷出幽灵般的中微子——几乎不与周围物质相互作用的神秘粒子。

这些难以捉摸的粒子来自螺旋星系 Messier 77 中心的一个中微子产生热点,该星系由一个黑洞锚定。 威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授弗朗西斯哈尔岑说,该地区富含密集的气体和电磁场。 他说,这使它成为“生产中微子的迪士尼乐园”。

哈尔岑说,越来越多的研究指向与中微子诞生的地方相似的活跃星系核心。

“这就是这篇论文令人兴奋的原因,”他谈到了 11 月 4 日发表在《科学》杂志上的新研究。 “不仅仅是为了寻找另一个来源,而且它开始指向可能是宇宙射线加速器和中微子来源的东西。”

中微子狩猎

中微子是不带电荷且几乎没有质量的亚原子粒子。 它们仅与两种力相互作用,即重力和弱力,后者是某些类型的放射性衰变的原因。 它们几乎以光速传播,而且数量非常丰富——每秒大约有 1000 亿个通过你身体的每平方厘米。 然而,它们极难被发现,因为它们与物质的相互作用非常微弱。

中微子几乎可以在宇宙的任何地方产生——从地球内部的衰变元素到宇宙另一端的巨大超新星爆炸。 几十年来,科学家们一直致力于了解产生神秘粒子的无数力量。

南极冰立方实验室,在这张 2015 年 7 月拍摄的照片中被星轨照亮。(图片来源:IceCube Collaboration)
南极冰立方实验室,在这张 2015 年 7 月拍摄的照片中被星轨照亮。(图片来源:IceCube Collaboration)

为了探测中微子,特别是来自银河源的宇宙射线中产生的高能中微子,研究人员必须非常有创意。 他们的解决方案是冰立方中微子天文台,由 5,000 多个传感器组成的阵列冻结在 0.2 立方英里(1 立方公里)的南极冰层中。 当中微子撞击原子核中的质子或中子时,它会产生新的粒子,释放出称为切伦科夫辐射的蓝色光爆发。 IceCube 检测到这种切伦科夫辐射以发现中微子。 冰层保护传感器免受宇宙辐射的影响,并提供了一种稳定、透明的介质,可以在其中“看到”活跃的中微子。

中微子沿直线传播,因此也可以使用冰立方来发现中微子的来源。 在这项新研究中,Halzen 和他的团队对整个天空进行了扫描,寻找似乎从中微子浓度高于正常水平的“热点”。

梅西耶77突然出现。

银河热点

Messier 77,也被称为 NGC 1068,或“乌贼星系”,距离地球约 4700 万光年,可以用双筒望远镜或后院望远镜从我们的星球上看到。今年早些时候,另一组研究人员在梅西耶 77 的中心发现了一个超大质量黑洞,但厚厚的尘埃遮挡了视线。新发现的中微子可以提供一扇进入银河系心脏的窗口。

IceCube 团队于 2018 年首次报告了高能中微子的来源,它来自另一个以大质量黑洞为锚的活跃星系核心。那个中微子工厂坐落在猎户座的肩膀上。

哈尔岑说,最初,科学家们认为这些中微子是由巨大的喷流产生的,这些喷流从巨大的黑洞中喷出。但哈尔岑说,这种喷气式飞机的物理特性实际上并不适合产生中微子。而梅西耶 77 的黑洞并没有产生这些喷流,这表明中微子是在黑洞本身的边界上形成的。这个区域被称为吸积盘,里面充满了被黑洞引力场拉入的物质。

“吸积盘上方和下方都有非常高的磁场,所以你已经可以在那里产生中微子,”哈尔岑说。 “然后当物质落入黑洞,靠近黑洞时,还有另一个机会产生中微子。”

该研究无法准确确定这些中微子是如何产生的,但 IceCube 先前的研究表明,像 Messier 77 核心这样的活跃星系核心将被称为宇宙射线的辐射流加速到高能状态。 当来自这些宇宙射线的质子撞击原子核时,它们会产生大量次级粒子,其中一些会衰变为中微子。

Halzen 说,研究人员对 IceCube 探测器及其分析技术进行了多项改进,以探测 NGC 1068,该团队计划继续这些努力——特别是在他们发现新的中微子热点方面取得了如此丰厚的回报。

“还会有更多,”哈尔岑说。

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