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(tái)觀測(cè)到的高能宇宙中微子，其起源一直是困擾物理學(xué)家和天文學(xué)家的一個(gè)謎。冰立方中微子天文臺(tái)的探測(cè)器深埋在南極深處的冰層中。現(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(xué)科學(xué)家開發(fā)了這個(gè)模型，該模型指出：在活動(dòng)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(píng)論快報(bào)》期刊上，賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)助理教授Kohta Murase是領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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(shí)甚至是引力波。所以，預(yù)計(jì)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(tái)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(xué)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(xué)”領(lǐng)域的演化。對(duì)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(xué)家定位了遙遠(yuǎn)的來源，每個(gè)額外的信使都提供了關(guān)于這些現(xiàn)象細(xì)節(jié)的額外線索。對(duì)于能量100TeV以上的宇宙中微子，賓夕法尼亞州立大學(xué)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(jiǎn)單地解釋?，F(xiàn)在，冰立方中微子天文臺(tái)的研究報(bào)告表明：在地球北部天空中最亮活動(dòng)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(huì)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(huì)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(diǎn)，該模型可以解釋能量100TeV以下的中微子，而對(duì)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(gè)來源。類似于日食期間太陽照片中看到的日冕，天體物理學(xué)家認(rèn)為，黑洞在旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤（即所謂的吸積盤）上方有一個(gè)黑洞日冕，它通過引力影響在黑洞周圍形成。這個(gè)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(dǎo)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(yù)測(cè)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(duì)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(huì)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(cè)器，如費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，都沒有被調(diào)諧到探測(cè)它們。有一些項(xiàng)目正在開發(fā)中，這些研究項(xiàng)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(jì)。

此外，即將到來的和下一代中微子探測(cè)器，如地中海的KM3NeT和南極洲的IceCube-Gen2將對(duì)來源更加敏感。有希望的目標(biāo)包括北部天空中的NGC1068，據(jù)報(bào)道有過量的中微子發(fā)射，以及南部天空中幾個(gè)最亮的活動(dòng)星系。這些新的伽馬射線和中微子探測(cè)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(yù)測(cè)的那樣，批判性地研究冰立方天文臺(tái)觀測(cè)到的大量中能級(jí)中微子是否與這些源有關(guān)。

博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞州立大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.011101

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