冰立方中微子观测站观测到的高能宇宙中微子的起源,是令物理学家和天文学家困惑不解的谜。一个新的模型可以帮助解释由最近的中微子和伽马射线数据推断出的这些中微子的意外大通量。宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员在2020年6月30日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的一篇论文描述了这个模型，指出活动星系核心发现的超大质量黑洞是这些神秘中微子的来源。
宾夕法尼亚州立大学（Penn State）天体物理学的助理教授及重力和宇宙机构（IGC）的多信使天体物理学的成员Kohta Murase领导了这项研究并提到：“中微子是一些质量几乎为零并且很少和其他物质发生反应的亚原子级别物质。它们肯定伴随着伽马射线或低能态的电磁波，有时甚至是引力波。所以我们认为这些不同能级的'宇宙信使’之间存在联系。有趣的是，冰立方中微子观测站观测到了一大波能量低于100TeV的中微子，与此相对应的高能伽马射线则被费米伽玛射线空间望远镜观测到了。”
科学家们将所有这些宇宙信使的信息结合起来，以了解宇宙中的事件，并在蓬勃发展的“多信使天体物理学”领域重建宇宙的演化。对于极端的宇宙事件，比如产生中微子的巨大恒星爆炸和超大质量黑洞喷流，这种方法帮助天文学家确定了遥远的来源，每一个额外的信使都提供了关于这一现象细节的额外线索。
宾夕法尼亚州立大学小组之前的研究表明，对于100TeV以上的宇宙中微子有可能与高能伽马射线和超高能宇宙射线有一致性。这一结果符合多元素图谱。然而，越来越多100TeV以下的中微子过剩的证据表明，这一观点不能简单解释。最近，IceCube中微子天文台报告说，在北方天空中最明亮的活跃星系之一，即NGC 1068的方向，又出现了过量的高能中微子。
美国航天局哈勃空间望远镜拍摄的银河系NGC 1068的图像，放大后的插图中显示了其中的活动黑洞。一个新的模型表明，这种超大质量黑洞周围的日冕可能是IceCube中微子天文台观测到的高能宇宙中微子的来源。来源：NASA/JPL-Caltech
“我们知道，高能中微子的源头一定也会产生伽马射线，那么问题是：这些缺失的伽马射线在什么地方呢？”穆拉色称，“高能伽马射线的源头以某种方式消失在了在我们的视野中，而释放到宇宙中的中微子的能量预算却是惊人的大。此类源头最可能处于极大密度的环境下，伽马射线会因辐射物质的相互作用而被阻挡，但中微子可以轻易地逃脱。我们的新模型显示，超大质量黑洞系统是中微子来源的场所，该模型可以解释100TeV以下的较低能量要求时中微子的存在。”
新的模型认为银河中心大质量黑洞的光冕（环绕在天体周围的等离子体环和其他天体）可能是中微子的来源。类似于日蚀时拍摄到的日冕，天体物理学家相信黑洞有一层光冕在旋转的物质盘（即在黑洞引力影响下形成的吸积盘）外。这种光冕温度极高（超过10亿开尔文）、经过磁化，产生湍流。在这种环境下，粒子被加速导致相互碰撞，产生中微子和伽马射线。但是这种高密度环境足以防止伽马射线逃逸。
Murase提到：“这种模型也能预测到和高能伽马射线源相对应的“软”伽马射线源产生的电磁物质。高能伽马射线虽被阻挡，但这并非结果，它们仍然可以降至兆电子伏范围内，以低能态“软”伽马射线的形式逃逸。但是大多数现有的伽马射线监测设备，比如费米伽玛射线空间望远镜，无法调谐至探测它们。”
因此，现有在开发的专门探测太空中“软”伽马射线项目。此外，即将到来的下一代探测器，地中海的KM3Net和南极洲的 IceCube-Gen2将提升探测其来源的灵敏度。可能的目标包括 北部天空的 NGC 1068（曾被报道有中微子发射），和一些南部天空最亮的活跃星系。
“这些新的伽马射线和中微子探测器，能更深入探索超大质量黑洞光冕发射的多信使辐射中微子。”穆拉色说，“这可以精确地检验此类源头与冰立方中微子观测的大量中能级中微子的关系，和模型预测的一致性。
作者：Sam Sholtis
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://science.psu.edu/news/Murase6-2020
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