高能中微子来自黑洞？

2023-10-=28光明网孙琦 的报道  撰文：菲尔·普莱（Phil Plait） 翻译：赵剑琳

　　在众多亚原子粒子中，中微子是一个奇怪的存在。与人们熟知的电子和质子等粒子不同，幽灵般的中微子几乎不会与其他物质发生任何相互作用：它们能直接穿过行星，就好像行星根本不存在一样。这就使得探测它们变得极其困难，更难的则是要从茫茫宇宙中找出这些中微子究竟来自何方。不过，最近发表在《科学》上的一项研究，找到了这些亚原子粒子在银河系之外的一处来源。

　　天文学家首次从NGC 1068星系确切地探测到了中微子，这个星系的中心有一个巨大且活跃的黑洞。中微子是在黑洞的“不归点”——事件视界——之外产生的，我们还不清楚它具体是如何产生的，但此前一直有几种可能的理论解释。科学家希望这项发现不仅能改变他们对NGC 1068的认知，还能改变他们对所有此类星系的认知。此外，他们认为这一发现还可能揭示天空中随处可见的微弱中微子光芒的来源。

　　落向黑洞的物质首先会形成一个扁平的、围绕黑洞旋转的吸积盘。物质间的摩擦会把吸积盘加热到惊人的高温，使它发出耀眼的光芒，亮度甚至会超过整个宿主星系。我们将这种星系称为“活跃星系”，它们是宇宙中最亮的天体之一。

　　但对于NGC 1068来说，要探测到这种耀眼的光芒是很难的，因为基本上所有的光和信号都被厚厚的、不透明的宇宙尘埃云吸收了。在这种情况下，中微子最令人困惑的特性反而成为了优点：它们可以穿透这些尘埃云，飞入太空，最终到达地球。不过，我们依然要解决探测的难题——当中微子毫无痕迹地穿过探测器时，该如何测量它们呢？好消息是，并非所有的中微子都会如此，虽然情况非常罕见，但确实有些中微子会与物质发生相互作用，不过要观测到这种现象，需要借助非常特殊的天文台。

　　冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）就是这样一个天文台，它几乎正好位于地球的南极点。“冰立方”不属于标准的天文设施，它不像天文望远镜那样使用反射镜来收集并聚焦来自宇宙天体的光线。相反，它采用了一系列相对简单的光学传感器，它们被数十根垂直的线悬挂着，形成一个由5000多个传感器组成的三维阵列，可以探测闪光发生的位置和时间。

　　特别的是，“冰立方”深埋在南极洲冰层一千米之下。穿过冰层的中微子有很小概率撞上冰层中的氧原子或氢原子的原子核。这种撞击实际上是非常罕见的：对于地球上任意立方厘米大小的物质，每秒钟都有数万亿个中微子从中穿过，但要隔几天才能捕捉到一次中微子与这些物质发生的可测量的物理相互作用。

　中微子和原子核发生碰撞时会产生高速的亚原子“弹片”粒子，它们以略低于光速的速度远离碰撞点，然后穿过冰层。最有趣的是，它们在冰层中穿行的速度会超过光。不过，这并没有打破物理定律。真空中的光速的确是宇宙中的速度极限，但光在穿过介质时速度会慢下来。因此，粒子在真空中的运动速度不可能超过光速，但它们在物质中的运动速度却可以比光在物质中的速度更快。当这种情况发生时，就会产生“光爆”，就好像物体以超音速穿过空气时产生的冲击波一样。这些速度超过光的事件表现为明亮的蓝光闪烁，也可以称为切伦科夫辐射。透过透明的南极冰层，我们可以在一定距离内观测到它们。当然，“冰立方”的探测器也可以捕捉到它们。