我们可能最终知道我们周围的“幽灵粒子”来自哪里

幽灵粒子，又称中微子，几乎无处不在——数以万亿计的中微子，每个都几乎没有质量，现在正穿过你的身体。但我们对这些粒子的工作原理知之甚少。这绝对是一种遗憾，因为它们可能是解释宇宙中一些最大谜团的关键，包括为什么会有宇宙。

我们在解答这些问题上迈出了一大步。在周四发表于《科学》杂志的两篇新论文中，一个由数百人组成的国际研究小组宣布，他们发现了这些微小、难以捉摸的粒子起源的证据：巨大的椭圆形星系，称为耀变体。这些发现解决了一个多世纪以来的研究成果，即确定是什么将中微子等亚原子粒子以高能宇宙射线的形式发射到太空中。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学家、冰立方中微子天文台首席科学家弗朗西斯·哈尔岑 (Francis Halzen) 表示：“我们从 2013 年开始观测宇宙中微子。我们不知道它们来自哪里。”

这项最新发现的关键在于试图弄清楚中微子可能与哪些其他高能事件有关。这就是多信使天文学的用武之地：通过几种不同的信号研究天体物理事件。例如，如果你想尽可能多地了解炸药爆炸，你不会只用手机录音。你会想用不同波长的光进行观察，进行录音等等。在天文学中，多信使意味着观察与电磁辐射、引力波、中微子和宇宙射线有关的信号。

“中微子指向它们的来源，”哈尔森说，“所以我们试图将它们到达的方向与已知来源联系起来，包括开拓者。直到我们开始这项多信使活动，这才成功。”

IceCube 是一架位于南极一英里厚的冰层下的千米大小的望远镜，自 2011 年以来一直在运行，它利用其数千个传感器每年观测近 10 万个中微子。它的明确目的是寻找中微子，无论是近处还是远处（就这次最新观测而言，是极远处）。它是追踪基本粒子的强大观测站，但如果我们试图将中微子与其他信号联系起来以找到起源点，我们需要求助于其他仪器。

IceCube 配备了一个警报系统，当它探测到极高能的中微子时，该系统就会发出警报。该系统将坐标传递给世界各地的其他望远镜，并通知它们进行后续观测。

为了进行这项调查，IceCube 在 2017 年 9 月 22 日发现了一次非常高的中微子事件。NASA 的轨道费米伽马射线太空望远镜和加那利群岛的主要大气伽马成像切伦科夫望远镜处于警戒状态，它们最终探测到来自一个名为 TXS 0506+056 的星系（一个耀变体）的高能伽马射线，该星系距离地球约 40 亿光年，位于猎户座左上角。伽马射线活动是费米从该源探测到的最强伽马射线活动之一，与 IceCube 发送的中微子坐标非常吻合。

尽管耀变体并非中微子的预期来源，但当你意识到它们与它们听起来很邪恶的名字相符时，你就会明白中微子的来历。“在活跃星系中，超大质量黑洞为两股巨大的喷流提供动力，这些喷流携带高能粒子和强大的辐射和磁场从星系向外喷射，”阿拉巴马大学物理学家兼天文学家、新研究的合著者马科斯·桑坦德 (Marcos Santander) 解释说。“耀变体是一种活跃星系，其中一个喷流恰好朝向地球的视线，这意味着我们是在‘从枪管里’观察喷流。”这种排列意味着我们可以观察到遍布整个电磁波谱的非常高的能量辐射，从无线电波到可见光再到伽马射线——对于耀变体来说，这些能量的峰值是可见光能量的 10 万亿倍以上。他说：“已知耀变体喷流中的强烈冲击波含有能够产生伽马射线的高能粒子，并可能加速宇宙射线。”

这些喷流负责加速宇宙射线，而宇宙射线主要由质子组成。当质子与来自耀变体或黑洞喷流的光子和氢相互作用时，它们会产生中微子。“因此，中微子可以追踪宇宙射线，”哈尔森说。“它们密不可分。”

如果我们知道中微子是与宇宙射线同时产生的，那么这意味着它们必须与宇宙射线本身具有相同的起源。“虽然我们探测到的宇宙射线不会指向它们的来源——因为它们的电荷和路径被磁场扭曲——但中微子会指向它们产生的地点，”哈尔森说。“中微子让我们能够与其他大约二十台望远镜一起精确定位这个来源。”

所以这是团队需要的第一个证据。在他们知道 TXS 0506+056 是 9 月 22 日中微子探测的来源后，研究人员回顾了大约 10 年的档案数据，发现高能中微子爆发与该耀变体在短短 2014 年和 2015 年发出的十多个其他耀斑同时发生。这是第二个证据。“这决定了一切，”哈尔岑说。

当然，我们有理由对这些发现保持谨慎。长期以来，耀变体一直是中微子发射的候选源，但之前试图将中微子与耀变体联系起来的研究却失败了。目前还不完全清楚为什么 TXS 0506+056（它甚至不是已知最亮的伽马射线耀变体）符合这一标准，而其他的却不符合。目前还不能将耀变体全部贴上中微子工厂的标签。

“我认为我们也不能说‘这都是耀变体’，”论文的另一位合著者、马里兰大学物理学家埃里克·布劳夫斯 (Erik Blaufuss) 表示。“我认为很难仅凭一个样本就对所有耀变体下结论。我认为，这个来源是否特殊，或者只是第一个‘从草丛中探出头来’并具有足够明亮的中微子供我们观测的来源，仍有待确定。”

如果高能作用是解释耀变体为何发射中微子的关键，那么我们应该很容易地从星暴星系和伽马射线暴的观测中看到类似的结果。如果不是，那么这意味着耀变体中正在发生一些比我们目前所知更特殊、更奇怪的事情。

即使我们只关注这颗耀变体本身，“这也肯定不是一个金光灿灿的发现，”布劳夫斯说。科学家通常使用 5 西格玛阈值将某事标记为“发现”，而根据布劳夫斯的说法，这两篇最新论文的分析都是 3 西格玛，这表示“证据”，但不一定是发现。3 西格玛水平仍然意味着你可以非常有信心地认为结果不是随机的，但当涉及到粒子物理学时，这种偶然性仍然会让人产生警惕的感觉。最好以谨慎的热情迎接新发现。

目前，该团队也正在享受着他们艰苦努力终于获得回报的喜悦。“在天文学最古老的悬而未决的问题之一上取得突破令人兴奋，”哈尔森说。“这就是建造 IceCube 的目的。我们的第一个来源是耀变体，这有点令人惊讶，但事实不容争辩。”