The Squid Galaxy's neutrino game just leveled up

这一发现为理解NGC 1068等星系中心超大质量黑洞周围的极端环境（包括我们银河系）提供了洞见，加深了我们对辐射与基本粒子关系的认识，这些关系可能引发我们尚未想象到的技术进步。

南极冰层深处埋藏着能"看见"名为中微子基本粒子的"眼睛"，它们的观测结果正令科学家困惑：在NGC 1068星系（亦称墨鱼星系）中，观测到了异常强烈的中微子信号，伴随的伽马射线辐射却出乎意料地微弱。

这些"眼睛"是埋藏在一立方公里冰体中的探测器阵列——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，正利用对NGC 1068的观测数据，提出了一条全新的中微子产生路径。

中微子是与引力相互作用极弱的亚原子粒子，可穿透物质。这使其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，埋藏在南极透明压缩冰层中，用于搜寻中微子穿透冰层时相互作用产生带电粒子的事件。

"我们有望远镜通过光线观测恒星，但许多天体物理系统也会释放中微子，"UCLA物理学与天文学教授、Kavli IPMU资深研究员亚历山大·库先科（Alexander Kusenko）表示。"观测中微子需要不同类型的望远镜——这正是我们在南极部署的望远镜。"

冰立方中微子望远镜探测到来自NGC 1068的高能中微子伴随着微弱伽马射线流，暗示这些中微子可能以不同于此前认知的方式产生。NGC 1068数据令人费解：通常认为活动星系中心的高能中微子源于质子与光子的相互作用，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强伽马射线相伴出现。

NGC 1068的伽马射线辐射显著低于预期，且能谱形态明显不同。包括质子-光子碰撞模型及星系高热等离子体区（即"冕区"）辐射模型在内的传统理论，虽被广泛用于解释此类中微子信号，却面临理论局限，亟待寻求新解释。

在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的新论文中，库先科与同事提出：NGC 1068的高能中微子主要源于星系喷流中氦核在强紫外辐射下碎裂时中子的衰变。当氦核与星系中心区发出的紫外光子碰撞时发生碎裂，释放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吻合。

此外，这些核衰变产生的电子与周围辐射场相互作用，产生了与观测相符的低强度伽马射线。该模型精妙解释了中微子信号为何显著超越伽马射线辐射，并阐明了两者观测到的独特能谱特征。

此突破性进展帮助科学家理解活动星系宇宙喷流如何在不伴随伽马射线辉光的情况下释放强中微子，为揭示环绕超大质量黑洞（包括银河系中心黑洞）的极端复杂环境提供了新视角。

"我们对NGC 1068星系中心附近的极端区域知之甚少，"库先科指出。"若我们的模型得到证实，这将揭示该星系中心超大质量黑洞附近环境的奥秘。"

新论文提出：当氦核在超大质量黑洞喷流中加速时，会撞击光子并解体，将其两个质子和两个中子抛洒入太空。质子可逃逸，但中子不稳定，会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）解释道。"但氢仅含质子，若质子撞击光子会同时产生中微子和强伽马射线。而中子存在不产生伽马射线的额外中微子形成路径。因此氦核最可能是NGC 1068观测中微子的起源。"

该研究揭示了隐藏天体物理中微子源的存在，这些信号此前可能因其微弱伽马射线特征而被忽视。

"该观点提供了超越传统冕区模型的新视角。NGC 1068仅是宇宙众多类似星系之一，未来从中探测到的中微子将检验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刚志（Yoshiyuki Inoue）表示。

与NGC 1068类似，银河系中心同样存在超大质量黑洞，其难以想象的巨大引力与能量足以撕裂原子，此中微子发现同样适用于银河系。尽管理解星系中心未必直接改善人类福祉，但通过研究中微子等粒子和伽马射线等辐射获得的知识，往往引导技术走向突破性变革。

"当J.J.汤姆孙（J.J. Thompson）因发现电子获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，"库先科提及。"当然，如今每部智能手机、每个电子设备都在应用汤姆孙近125年前的发现。"

库先科同时指出，粒子物理学催生了万维网——其最初是实验室间传输海量数据的物理学家网络。他强调，核磁共振的发现曾看似深奥，却引领了磁共振成像技术的发展，现已成为常规医疗手段。

"我们正站在中微子天文学新领域的起点，NGC 1068的神秘中微子是求解征途中的谜题之一，"库先科总结道。"科学投入可能产生当下无法预见的价值，却能在数十年后引发巨变。这是长期投资——私营企业不愿投入我们从事的研究。正因如此，政府科研拨款至关重要，大学的作用亦不可替代。"

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