The Squid Galaxy's neutrino game just leveled up

这一发现为理解星系（如NGC 1068和我们银河系）中心超大质量黑洞周围的极端环境提供了洞见，并加深了我们对辐射与基本粒子之间关系的认识，这些关系可能带来我们尚未想象到的技术进步。

在南极冰层深处埋藏着能"看见"一种名为中微子的基本粒子的"眼睛"，而它们观测到的现象正令科学家们困惑不已：在NGC 1068星系（亦称乌贼星系）中，观测到了异常强烈的中微子信号，却伴随异常微弱的伽马射线辐射。

这些"眼睛"是埋藏于一立方公里冰体中的探测器阵列，名为冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）。来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）、大阪大学和东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构（Kavli IPMU, WPI）的理论物理学家们，正利用对NGC 1068的观测结果，提出了一条全新的中微子产生路径。

中微子是亚原子粒子，仅通过引力发生极弱相互作用，并能穿透物质。这使得它们比电子等其他粒子更难探测。冰立方中微子天文台由5,160个传感器组成，这些传感器埋藏在清澈致密的南极冰层中，用于搜寻中微子穿透冰层时与其相互作用并产生带电粒子时所引发的事件。

"我们有望远镜利用光线观测恒星，但许多天体物理系统也会释放中微子，"卡弗里IPMU高级研究员、UCLA物理学与天文学教授亚历山大·库先科（Alexander Kusenko）表示。"要观测中微子，我们需要不同类型的望远镜——这正是我们在南极拥有的望远镜。"

冰立方中微子望远镜探测到来自NGC 1068的极高能中微子伴随着微弱的伽马射线通量，暗示这些中微子可能以不同于以往设想的方式产生。NGC 1068的数据令人费解，因为通常认为活动星系中心的高能中微子源于质子与光子间的相互作用，该过程应产生强度相当的伽马射线。因此，高能中微子通常与高能伽马射线伴生。

NGC 1068的伽马射线辐射强度显著低于预期，且展现出截然不同的光谱形态。传统模型（包括基于质子-光子碰撞的模型以及源自星系高温等离子体区——即"冕区"——的辐射模型）虽被广泛用于解释此类中微子信号，但它们面临理论局限，促使研究者寻求新的解释。

在发表于《物理评论快报》的新论文中，库先科及其同事提出，NGC 1068的高能中微子主要源自星系喷流中的氦核在强紫外辐射作用下碎裂时中子的衰变。当这些氦核与星系中心区域发出的紫外光子碰撞时，它们会发生碎裂，释放出的中子随后衰变成中微子。最终产生的中微子能量与观测结果相符。

此外，这些核衰变产生的电子与周围辐射场相互作用，产生了与观测到的较低强度一致的伽马射线。这一机制精妙地解释了为何中微子信号远超伽马射线辐射，并阐明了中微子与伽马射线中观测到的独特能谱。

这一突破性进展帮助科学家理解活动星系中的宇宙喷流如何能在缺乏对应伽马射线辉光的情况下发射强力的中微子，为包括银河系中心在内的超大质量黑洞周围极端复杂的环境提供了新见解。

"我们对NGC1068星系中心附近极端区域的了解非常有限，"库先科表示。"如果我们的模型得到证实，它将揭示该星系中心超大质量黑洞附近环境的某些特性。"

新论文提出，若氦核在超大质量黑洞喷流中加速，它会撞击光子并发生解体，将其两个质子和两个中子抛洒入太空。质子可飞逸而去，但不稳定的中子将分裂（或称衰变）成中微子，且不产生伽马射线。

"氢和氦是宇宙中最常见的两种元素，"第一作者、UCLA博士生安田耕一郎（Koichiro Yasuda）表示。"但氢仅含一个质子，若该质子撞击光子，会同时产生中微子和强伽马射线。而中子具有额外的不产生伽马射线的中微子形成途径。因此氦最可能是我们观测到的NGC 1068中微子的来源。"

该研究揭示了隐藏的天体物理中微子源的存在，这些信号可能因微弱的伽马射线特征而曾被忽视。

"这一观点提供了超越传统冕区模型的新视角。NGC 1068只是宇宙中众多类似星系之一，未来对它们的中微子探测将有助于检验我们的理论，并揭示这些神秘粒子的起源，"合著者、大阪大学天体物理学教授井上芳幸（Yoshiyuki Inoue）表示。

与NGC 1068类似，我们的银河系中心也存在超大质量黑洞，那里难以想象的巨大引力和能量会将原子撕裂，而中微子的发现同样适用于我们的星系。尽管理解星系中心与改善人类福祉之间未必存在直接关联，但通过研究中微子等粒子和伽马射线等辐射所获得的知识，往往能引领技术走向惊人而变革性的道路。

"当J·J·汤姆孙（J.J. Thompson）因发现电子获得1906年诺贝尔物理学奖时，他在颁奖晚宴上著名地祝酒说，这可能是史上最无用的发现，"库先科回忆道。"当然，如今每部智能手机、每件电子设备都在运用汤姆孙近125年前的发现。"

库先科同时指出，粒子物理催生了万维网，其最初是物理学家为在实验室间传输海量数据而开发的网络。他强调，核磁共振的发现当时看似深奥，却促成了磁共振成像技术的发展，如今该技术已在医学领域常规应用。

"我们正站在中微子天文学新领域的起点，NGC 1068的神秘中微子是我们探索途中必须破解的谜题之一，"库先科强调。"科学投资将带来当下或许无法预见、但数十年后可能产生重大影响的事物。这是长期投资，私营企业往往不愿涉足我们所从事的研究。正因如此，政府对科学的资助至关重要，大学的作用亦无可替代。"

本研究由美国能源部、世界顶级国际研究中心计划（WPI）及日本学术振兴会资助。