宇宙中微子可能來源於大質量黑洞的光冕

2020-12-03 天文在線

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冰立方中微子觀測站觀測到的高能宇宙中微子的起源,是令物理學家和天文學家困惑不解的謎。一個新的模型可以幫助解釋由最近的中微子和伽馬射線數據推斷出的這些中微子的意外大通量。賓夕法尼亞州立大學（Penn State）的研究人員在2020年6月30日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上的一篇論文描述了這個模型，指出活動星系核心發現的超大質量黑洞是這些神秘中微子的來源。

賓夕法尼亞州立大學（Penn State）天體物理學的助理教授及重力和宇宙機構（IGC）的多信使天體物理學的成員Kohta Murase領導了這項研究並提到：「中微子是一些質量幾乎為零並且很少和其他物質發生反應的亞原子級別物質。它們肯定伴隨著伽馬射線或低能態的電磁波，有時甚至是引力波。所以我們認為這些不同能級的『宇宙信使』之間存在聯繫。有趣的是，冰立方中微子觀測站觀測到了一大波能量低於100TeV的中微子，與此相對應的高能伽馬射線則被費米伽瑪射線空間望遠鏡觀測到了。」

科學家們將所有這些宇宙信使的信息結合起來，以了解宇宙中的事件，並在蓬勃發展的「多信使天體物理學」領域重建宇宙的演化。對於極端的宇宙事件，比如產生中微子的巨大恆星爆炸和超大質量黑洞噴流，這種方法幫助天文學家確定了遙遠的來源，每一個額外的信使都提供了關於這一現象細節的額外線索。

賓夕法尼亞州立大學小組之前的研究表明，對於100TeV以上的宇宙中微子有可能與高能伽馬射線和超高能宇宙射線有一致性。這一結果符合多元素圖譜。然而，越來越多100TeV以下的中微子過剩的證據表明，這一觀點不能簡單解釋。最近，IceCube中微子天文臺報告說，在北方天空中最明亮的活躍星系之一，即NGC 1068的方向，又出現了過量的高能中微子。

美國航天局哈勃空間望遠鏡拍攝的銀河系NGC 1068的圖像，放大後的插圖中顯示了其中的活動黑洞。一個新的模型表明，這種超大質量黑洞周圍的日冕可能是IceCube中微子天文臺觀測到的高能宇宙中微子的來源。來源：NASA/JPL-Caltech

「我們知道，高能中微子的源頭一定也會產生伽馬射線，那麼問題是：這些缺失的伽馬射線在什麼地方呢？」穆拉色稱，「高能伽馬射線的源頭以某種方式消失在了在我們的視野中，而釋放到宇宙中的中微子的能量預算卻是驚人的大。此類源頭最可能處於極大密度的環境下，伽馬射線會因輻射物質的相互作用而被阻擋，但中微子可以輕易地逃脫。我們的新模型顯示，超大質量黑洞系統是中微子來源的場所，該模型可以解釋100TeV以下的較低能量要求時中微子的存在。」

新的模型認為銀河中心大質量黑洞的光冕（環繞在天體周圍的等離子體環和其他天體）可能是中微子的來源。類似於日食時拍攝到的日冕，天體物理學家相信黑洞有一層光冕在旋轉的物質盤（即在黑洞引力影響下形成的吸積盤）外。這種光冕溫度極高（超過10億開爾文）、經過磁化，產生湍流。在這種環境下，粒子被加速導致相互碰撞，產生中微子和伽馬射線。但是這種高密度環境足以防止伽馬射線逃逸。

Murase提到：「這種模型也能預測到和高能伽馬射線源相對應的「軟」伽馬射線源產生的電磁物質。高能伽馬射線雖被阻擋，但這並非結果，它們仍然可以降至兆電子伏範圍內，以低能態「軟」伽馬射線的形式逃逸。但是大多數現有的伽馬射線監測設備，比如費米伽瑪射線空間望遠鏡，無法調諧至探測它們。」

因此，現有在開發的專門探測太空中「軟」伽馬射線項目。此外，即將到來的下一代探測器，地中海的KM3Net和南極洲的 IceCube-Gen2將提升探測其來源的靈敏度。可能的目標包括 北部天空的 NGC 1068（曾被報導有中微子發射），和一些南部天空最亮的活躍星系。

「這些新的伽馬射線和中微子探測器，能更深入探索超大質量黑洞光冕發射的多信使輻射中微子。」穆拉色說，「這可以精確地檢驗此類源頭與冰立方中微子觀測的大量中能級中微子的關係，和模型預測的一致性。

作者：Sam Sholtis

FY：Astronomical volunteer team

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