研究發(fā)現(xiàn)：超大質(zhì)量黑洞的日冕，可能是地球上神秘的中微子來源！

冰立方中微子天文臺觀測到的高能宇宙中微子，其起源一直是困擾物理學家和天文學家的一個謎。冰立方中微子天文臺的探測器深埋在南極深處的冰層中?，F(xiàn)在一種新的模型可以幫助解釋中微子和伽馬射線數(shù)據(jù)，推斷出其中一些中微子出人意料的大量來源。來自賓夕法尼亞州立大學科學家開發(fā)了這個模型，該模型指出：在活動星系核心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞，是這些神秘中微子的來源地。

其研究成果已發(fā)表在《物理評論快報》期刊上，賓夕法尼亞州立大學物理學、天文學和天體物理學助理教授Kohta Murase是領(lǐng)導這項研究的萬有引力與宇宙研究所(IGC)多重信使天體物理中心成員，他說：中微子是非常微小的亞原子粒子，中微子的質(zhì)量幾乎為零，中微子很少與其他物質(zhì)相互作用。高能宇宙中微子是由宇宙中的高能宇宙線加速器產(chǎn)生，它們可能是極端的天體物理物體，如黑洞和中子星。

它們必須伴隨著較低能量的伽馬射線或電磁波，有時甚至是引力波。所以，預計觀察到的這些不同‘宇宙信使’的水平是相關(guān)的。有趣的是，冰立方天文臺的數(shù)據(jù)表明，能量低于100太電子伏特(TeV)的中微子超額發(fā)射?？茖W家將所有這些宇宙信使的信息結(jié)合起來，以了解宇宙中的事件，并重建其在新興“多信使天體物理學”領(lǐng)域的演化。對于極端的宇宙事件，比如產(chǎn)生中微子的大規(guī)模恒星爆炸和超大質(zhì)量黑洞的噴流。

這種方法幫助天文學家定位了遙遠的來源，每個額外的信使都提供了關(guān)于這些現(xiàn)象細節(jié)的額外線索。對于能量100TeV以上的宇宙中微子，賓夕法尼亞州立大學之前的研究表明，它有可能與高能伽馬射線和超高能宇宙射線相一致，這與多傳播者的圖像相吻合。然而，越來越多的證據(jù)表明，能量100TeV以下的中微子過剩，這不能簡單地解釋?，F(xiàn)在，冰立方中微子天文臺的研究報告表明：在地球北部天空中最亮活動星系之一NGC1068的方向上，又有過多的高能中微子。

高能中微子的來源肯定也會產(chǎn)生伽馬射線，所以問題是：這些失蹤的伽馬射線在哪里？這些源不知何故隱藏在高能伽馬射線中，釋放到宇宙中的中微子能量收支驚人地大。這類源的最佳候選者擁有密集的環(huán)境，伽馬射線會被它們與輻射和物質(zhì)的相互作用所阻擋，但中微子很容易逃逸。新模型表明，超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)是有希望的地點，該模型可以解釋能量100TeV以下的中微子，而對能量的要求不高。

黑洞日冕來源

新模型表明，圍繞在星系核心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞日冕（類似環(huán)繞恒星和其他天體的超熱等離子體光環(huán)）可能就是這樣的一個來源。類似于日食期間太陽照片中看到的日冕，天體物理學家認為，黑洞在旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤（即所謂的吸積盤）上方有一個黑洞日冕，它通過引力影響在黑洞周圍形成。這個黑洞日冕非常熱（溫度約為10億開爾文），被磁化，并且湍流，在這種環(huán)境下，粒子可以加速，導致粒子碰撞。

從而產(chǎn)生中微子和伽馬射線，但環(huán)境密度足夠高，可以防止高能伽馬射線逃逸。該模型還預測了‘軟’伽馬射線，而不是高能伽馬射線中的中微子源的電磁對應(yīng)物。高能伽馬射線將被阻擋，但這還不是故事的結(jié)束，它們最終會被層疊到較低的能量，并在兆電子伏特范圍內(nèi)以‘軟’伽馬射線的形式釋放，但大多數(shù)現(xiàn)有的伽馬射線探測器，如費米伽馬射線太空望遠鏡，都沒有被調(diào)諧到探測它們。有一些項目正在開發(fā)中，這些研究項目是專門為探索這種從太空發(fā)射的軟伽馬射線而設(shè)計。

此外，即將到來的和下一代中微子探測器，如地中海的KM3NeT和南極洲的IceCube-Gen2將對來源更加敏感。有希望的目標包括北部天空中的NGC1068，據(jù)報道有過量的中微子發(fā)射，以及南部天空中幾個最亮的活動星系。這些新的伽馬射線和中微子探測器，將能夠更深入地搜索超大質(zhì)量黑洞日冕發(fā)出的多信使輻射中微子。這將使研究人員有可能像模型預測的那樣，批判性地研究冰立方天文臺觀測到的大量中能級中微子是否與這些源有關(guān)。

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博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞州立大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.011101

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