用宇宙中微子绘制的新宇宙地图| 广达杂志

每秒穿过你的 100 万亿个中微子中，大部分来自太阳或地球大气层。 但有一小部分粒子——它们的运动速度比其他粒子快得多——是从更远的强大来源来到这里的。 几十年来，天体物理学家一直在寻找这些“宇宙”中微子的起源。 现在，冰立方中微子观测站终于收集到了足够多的中微子，以揭示它们的来源模式。

在一个 论文今天发表于 科学，该团队揭示了第一张中微子银河系地图。 （通常我们的星系是用光子、光粒子来绘制的。）新地图显示了整个银河系散发出的宇宙中微子的弥漫薄雾，但奇怪的是，没有任何单独的来源引人注目。 “这是一个谜，”说 弗朗西斯·哈尔岑，领导 IceCube。

结果遵循 去年秋天的 IceCube 研究，也位于 科学，这是第一个将宇宙中微子与单个源连接起来的。 它表明，天文台迄今为止检测到的大部分宇宙中微子来自一个名为 NGC 1068 的“活跃”星系的中心。在星系的发光核心中，物质螺旋进入中心超大质量黑洞，以某种方式产生宇宙中微子正在进行中。

说：“真是令人欣慰” 凯特·肖尔伯格杜克大学的中微子物理学家没有参与这项研究。 “他们实际上已经识别出了一个星系。 这是整个中微子天文学界一直在努力做的事情。”

精确定位宇宙中微子源开辟了使用这些粒子作为基础物理新探针的可能性。 研究人员已经证明，中微子可以用来打开粒子物理标准模型的裂缝，甚至可以测试重力的量子描述。

然而，确定至少一些宇宙中微子的起源只是第一步。 人们对一些超大质量黑洞周围的活动如何产生这些粒子知之甚少，到目前为止，证据表明存在多种过程或环境。

寻找已久的起源

尽管中微子数量众多，但它们通常会快速穿过地球而不留下任何痕迹。 必须建造一个极其巨大的探测器来探测足够多的粒子，从而感知它们到达方向的模式。 IceCube 建于 12 年前，由深入南极冰层的一公里长的探测器串组成。 每年，IceCube 都会探测到十几个左右的宇宙中微子，它们的能量如此之高，以至于它们在大气和太阳中微子的雾霾中脱颖而出。 更复杂的分析可以从其余数据中找出更多候选宇宙中微子。

天体物理学家知道，只有当快速移动的原子核（即宇宙射线）与太空中某处的物质碰撞时，才会产生这种高能中微子。 宇宙中很少有地方拥有足够强大的磁场来将宇宙射线激发到足够的能量。 伽马射线暴是一些恒星变成超新星或中子星相互螺旋时发生的超亮闪光，长期以来被认为是最合理的选择之一。 唯一真正的替代方案是活跃星系核（AGN）——当物质落入其中时，星系中央的超大质量黑洞会喷出粒子和辐射。

伽马射线暴理论在 2012 年失去了基础，当时天体物理学家意识到，如果这些明亮的爆发是造成这种现象的原因，我们预计会看到 更多的宇宙中微子 比我们多。 尽管如此，争议还远未解决。

然后，在 2016 年，IceCube 开始在每次检测到宇宙中微子时发出警报，促使其他天文学家将望远镜瞄准它的来源方向。 接下来的XNUMX月，他们暂定 将宇宙中微子与名为 TXS 的活跃星系进行匹配 0506+056，简称TXS，同时发射X射线和伽马射线耀斑。 “这确实引起了很大的兴趣，”说 马科斯·桑坦德，阿拉巴马大学的 IceCube 合作者。

越来越多的宇宙中微子被收集到，另一片天空开始在大气中微子的背景下脱颖而出。 在这个补丁的中间是附近的活跃星系 NGC 1068。IceCube 最近的分析表明，这种相关性几乎肯定等于因果关系。 作为分析的一部分，IceCube 的科学家重新校准了他们的望远镜，并使用人工智能来更好地了解其对不同天空区域的敏感度。 他们发现，来自 NGC 1 方向的中微子丰度随机波动的可能性小于十万分之一。

TXS 是宇宙中微子源的统计确定性也不远了，XNUMX 月份，IceCube 记录到了可能来自 TXS 附近的中微子，但尚未进行分析。

“我们部分失明； 哈尔岑说：“这就像我们已经把焦点转向了。” “这场竞赛是在伽马射线暴和活跃星系之间进行的。 这场比赛已经决定了。”

物理机制

这两个活动星系核似乎是天空中最亮的中微子源，但令人困惑的是，它们却截然不同。 TXS 是 AGN 的一种，被称为耀变体：它直接向地球发射高能辐射流。 然而，我们并没有看到这样的射流从 NGC 1068 指向我们。这表明活跃星系中心的不同机制可能会产生宇宙中微子。 “来源似乎更加多样化，”说 朱莉娅·蒂斯德国波鸿鲁尔大学理论天体物理学家、IceCube 成员。

Halzen 怀疑 NGC 1068 的活性核心周围有一些物质，可以在中微子产生时阻挡伽马射线的发射。 但具体机制谁也说不准。 “我们对活跃星系的核心知之甚少，因为它们太复杂了，”他说。

起源于银河系的宇宙中微子使事情变得更加混乱。 我们的星系中没有这种高能粒子的明显来源，特别是没有活跃的星系核。 我们银河系的核心已经数百万年没有忙碌过。

哈尔岑推测这些中微子来自我们星系早期活跃阶段产生的宇宙射线。 “我们总是忘记我们正在关注某个时刻，”他说。 “产生这些宇宙射线的加速器可能是在数百万年前产生的。”

新的天空图像中最引人注目的是 NGC 1068 和 TXS 等光源的强烈亮度。 当天文学家用光子观察时，银河系充满了附近的恒星和热气体，其亮度超过了所有其他星系。 但当在中微子中观察时，“令人惊奇的是我们几乎看不到我们的星系，”哈尔岑说。 “天空主要是河外来源。”

抛开银河系之谜不谈，天体物理学家希望利用更远、更亮的光源来研究暗物质、量子引力和中微子行为的新理论。

探索基础物理

中微子提供了罕见的线索，表明更完整的粒子理论必须取代已有 50 年历史的标准模型方程组。 这个模型以近乎完美的精度描述了基本粒子和力，但在中微子方面却犯了错误：它预测中性粒子是无质量的，但事实并非如此——不完全是。

物理学家于 1998 年发现中微子可以在三种不同类型之间变换形状； 例如，太阳发射的电子中微子在到达地球时可以转变为μ子中微子。 为了变形，中微子必须有质量——只有当每个中微子都是三种不同（都非常小）质量的量子混合物时，振荡才有意义。

数十次实验使粒子物理学家逐渐建立了各种中微子振荡模式的图像——太阳中微子、大气中微子、实验室制造的中微子。 但源自活动星系核的宇宙中微子让人们得以了解粒子在更大的距离和能量下的振荡行为。 这使它们成为“对物理的非常敏感的探测器，超出了标准模型”，说 卡洛斯·阿圭勒斯–薄，哈佛大学的中微子物理学家，也是庞大的 IceCube 合作项目的一部分。

宇宙中微子源距离太远，中微子振荡应该会变得模糊——无论天体物理学家在哪里观察，他们都希望看到三种中微子类型中每种类型的恒定比例。 这些分数的任何波动都表明中微子振荡模型需要重新思考。

另一种可能性是，宇宙中微子在行进时与暗物质相互作用，正如许多人所预测的那样 暗区模型。 这些模型提出宇宙的不可见物质由多种类型的不发光粒子组成。 与这些暗物质粒子的相互作用会散射具有特定能量的中微子， 制造差距 在我们看到的宇宙中微子光谱中。

或者时空本身的量子结构可以拖拽中微子，减慢它们的速度。 最近，一个总部位于意大利的团体 争辩 自然天文学 IceCube 数据显示了这种情况发生的迹象，但是 其他物理学家对此表示怀疑 这些主张。

诸如此类的影响是微小的，但星系间的距离可以将它们放大到可检测的水平。 “这绝对是值得探索的事情，”索尔伯格说。

已经，阿圭勒斯–德尔加多和合作者使用宇宙中微子的扩散背景——而不是像 NGC 1068 这样的特定来源——来寻找时空量子结构的证据。 像他们 报道 自然物理学 十月，他们什么也没找到，但他们的搜索因在 IceCube 探测器中难以区分第三种中微子（tau）和电子中微子而受到阻碍。 合著者说，我们需要的是“更好的粒子识别” 香取彻平 伦敦国王学院的。 研究正在进行中 区分这两种类型.

香取表示，了解宇宙中微子源的具体位置和机制将为这些新物理学探索的敏感性提供“大跃进”。 每种中微子类型的确切比例取决于源模型，而最流行的模型偶然预测三种中微子的数量将到达地球。 但对宇宙中微子的了解仍然很少，任何观察到的三种中微子比例的不平衡都可能被误解。 结果可能是量子引力、暗物质或破碎的中微子振荡模型的结果，或者只是宇宙中微子产生的仍然模糊的物理现象。 （然而，阿圭勒斯说，某些比率将成为新物理学的“铁证”–德尔加多。）

卡托里说，最终，我们需要探测更多的宇宙中微子。 看起来我们会的。 IceCube将在未来几年内升级并扩大到10立方公里，XNUMX月，西伯利亚贝加尔湖下的中微子探测器 发布了第一个观察结果 来自 TXS 的宇宙中微子。

在地中海深处，数十串中微子探测器统称为 KM3网络 被机器人潜水器固定在海底，以提供宇宙中微子天空的补充视图。 “压力是巨大的； 马赛粒子物理中心研究主任、该实验发言人帕斯卡尔·科伊尔 (Paschal Coyle) 表示：“大海是非常无情的。” 但“我们需要更多的望远镜来审视天空，并需要更多的共享观测结果，而这一切即将到来。”