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  • 研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    冰立方中微子天文台观测到的高能宇宙中微子,其起源一直是困扰物理学家和天文学家的一个谜。冰立方中微子天文台的探测器深埋在南极深处的冰层中。现在一种新的模型可以帮助解释中微子和伽马射线数据,推断出其中一些中微子出人意料的大量来源。来自宾夕法尼亚州立大学科学家开发了这个模型,该模型指出:在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地。

    研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    其研究成果已发表在《物理评论快报》期刊上,宾夕法尼亚州立大学物理学、天文学和天体物理学助理教授Kohta Murase是领导这项研究的万有引力与宇宙研究所(IGC)多重信使天体物理中心成员,他说:中微子是非常微小的亚原子粒子,中微子的质量几乎为零,中微子很少与其他物质相互作用。高能宇宙中微子是由宇宙中的高能宇宙线加速器产生,它们可能是极端的天体物理物体,如黑洞和中子星。

    研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    它们必须伴随着较低能量的伽马射线或电磁波,有时甚至是引力波。所以,预计观察到的这些不同‘宇宙信使’的水平是相关的。有趣的是,冰立方天文台的数据表明,能量低于100太电子伏特(TeV)的中微子超额发射。科学家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,并重建其在新兴“多信使天体物理学”领域的演化。对于极端的宇宙事件,比如产生中微子的大规模恒星爆炸和超大质量黑洞的喷流。

    研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    这种方法帮助天文学家定位了遥远的来源,每个额外的信使都提供了关于这些现象细节的额外线索。对于能量100TeV以上的宇宙中微子,宾夕法尼亚州立大学之前的研究表明,它有可能与高能伽马射线和超高能宇宙射线相一致,这与多传播者的图像相吻合。然而,越来越多的证据表明,能量100TeV以下的中微子过剩,这不能简单地解释。现在,冰立方中微子天文台的研究报告表明:在地球北部天空中最亮活动星系之一NGC1068的方向上,又有过多的高能中微子。

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    高能中微子的来源肯定也会产生伽马射线,所以问题是:这些失踪的伽马射线在哪里?这些源不知何故隐藏在高能伽马射线中,释放到宇宙中的中微子能量收支惊人地大。这类源的最佳候选者拥有密集的环境,伽马射线会被它们与辐射和物质的相互作用所阻挡,但中微子很容易逃逸。新模型表明,超大质量黑洞系统是有希望的地点,该模型可以解释能量100TeV以下的中微子,而对能量的要求不高。

    黑洞日冕来源

    新模型表明,围绕在星系核心发现的超大质量黑洞日冕(类似环绕恒星和其他天体的超热等离子体光环)可能就是这样的一个来源。类似于日食期间太阳照片中看到的日冕,天体物理学家认为,黑洞在旋转的物质盘(即所谓的吸积盘)上方有一个黑洞日冕,它通过引力影响在黑洞周围形成。这个黑洞日冕非常热(温度约为10亿开尔文),被磁化,并且湍流,在这种环境下,粒子可以加速,导致粒子碰撞。

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    从而产生中微子和伽马射线,但环境密度足够高,可以防止高能伽马射线逃逸。该模型还预测了‘软’伽马射线,而不是高能伽马射线中的中微子源的电磁对应物。高能伽马射线将被阻挡,但这还不是故事的结束,它们最终会被层叠到较低的能量,并在兆电子伏特范围内以‘软’伽马射线的形式释放,但大多数现有的伽马射线探测器,如费米伽马射线太空望远镜,都没有被调谐到探测它们。有一些项目正在开发中,这些研究项目是专门为探索这种从太空发射的软伽马射线而设计。

    研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    此外,即将到来的和下一代中微子探测器,如地中海的KM3NeT和南极洲的IceCube-Gen2将对来源更加敏感。有希望的目标包括北部天空中的NGC1068,据报道有过量的中微子发射,以及南部天空中几个最亮的活动星系。这些新的伽马射线和中微子探测器,将能够更深入地搜索超大质量黑洞日冕发出的多信使辐射中微子。这将使研究人员有可能像模型预测的那样,批判性地研究冰立方天文台观测到的大量中能级中微子是否与这些源有关。

    研究发现:超大质量黑洞的日冕,可能是地球上神秘的中微子来源

    博科园|研究/来自:宾夕法尼亚州立大学

    参考期刊《物理评论快报》

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.011101

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