07.13 重磅發現!宇宙最高能粒子的“加速器”來自40億光年外耀變體黑洞

2017年9月22日,科學家通過世界上最大的中微子探測器——位於南極的“冰立方”(IceCube Neutrino Observatory),探測到了神秘的 “幽靈粒子” 。此次發現的粒子穿越40億光年到達我們身邊,普通人無從得知,科學家卻異常困惑。

重磅發現!宇宙最高能粒子的“加速器”來自40億光年外耀變體黑洞

現在,研究人員終於鎖定其來源,它們來自一種高度活躍的橢圓形星系,即所謂的 “耀變體” (blazar)。其中心內部潛藏著一個巨大的黑洞,釋放出的輻射能夠直抵地球。也就是說,這種高能宇宙中微子來自銀河系外。

這無疑是一個驚人的發現,它不僅證實耀變體是高能中微子的一種來源,而且還建立了一個全新的研究領域:多信使中微子天體物理學。科學家將使用不同類型的探測器共同研究同一現象。同樣技術也曾被用於確認並拍攝中子星碰撞的研究。

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自2012年南極“冰立方”首次發現高能中微子以來,來自銀河系外的這些亞原子粒子一直是令物理學家們感到棘手的課題。

在亞原子粒子中,中微子可以說最為奇異。它們的質量幾乎為零,能夠以接近光速的速度傳播,並且通常不會和一般物質發生相互作用。對於中微子來說,宇宙可以被視為無形的“精神世界”。

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之所以被稱為“幽靈粒子”,是因為此時此刻,正有數十億數量的中微子穿過你我的身體。我們卻不得而知。

當然,這並不意味著中微子完全不能與物質發生作用,否則即使“冰立方”也將無法探測到高能中微子。科學家們一次又一次地發現,中微子可以與冰相互作用,併產生閃光。

“冰立方”的探測器埋藏在南極冰層之下。在黑暗中,由碰撞所產生的光子得以被探測到。

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到目前為止,IceCube已經發現了幾個脫穎而出的中微子。它們比正常檢測數據更具有活力,這表明它們一定已經穿越了遙遠的距離。

科學家曾在1987年從銀河系銀暈(sn1987a)的超新星爆發中發現了中微子,其能量高達36MeV; 2012年發現的中微子能量則超過了1PeV。

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雖然2017年9月探測到的中微子能量略低於300TeV,但它遠遠高於附近的任何東西。並且,由於宇宙的一般物質對於中微子來說是“不存在的”,這意味著它們總是以直線行進。

現在,由全世界數百名科學家組成的研究團隊終於確認了這個微小亞原子粒子的來源。

它可以追溯到40億光年遠的耀變體,即所謂的TXS 0506 + 056。它就位於獵戶座的“肩膀”上。這一發現意味著主要由質子和原子核組成的相關高能宇宙射線,也來自同一個地方。

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耀變體是一種類星體,其星系內部核心具有活躍的超大質量黑洞,在它“進食”時會發出巨大的能量。

但耀變體可能是傾斜的,所以其星系的“銀道面”正對著我們,從黑洞極區發射出的一條噴流正好指向我們的方向。

在宇宙的浩瀚夜空中,已知的高能量物體數量高達數千個,但它們之中很少有誰能被作為高能中微子的可能來源。

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有趣的是,天體物理學界曾普遍認為,耀變體不太可能成為宇宙射線的來源。

當2017年進行實時監測時,科學家們變得高度警惕。他們立即開始搜索冰立方中微子天文臺的以往數據,並在2014年底到2015年初從同一個地方發現了若干中微子的閃耀信號。

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這一發現得到了另外兩個伽馬射線望遠鏡觀測結果的支持:美國宇航局(NASA)地球軌道上的費米伽瑪射線空間望遠鏡和加那利群島的大氣伽瑪切倫科夫成像望遠鏡(MAGIC)。

它們也都檢測到源自TXS 0506 + 056的高能伽瑪射線活動。另外,科學家在無線電頻譜中也有所收穫。

所有這些卓越的工作共同表明,這個耀變體已經成為第一個已知的最高能量中微子和宇宙射線的“加速器”。

目前,相關研究論文已經在國際頂級學術期刊《科學》雜誌上發表。


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