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提供了见解，包括我们银河系在内，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。

南极冰层深处埋藏的"眼睛"能够观测名为中微子的基本粒子，而它们观测到的现象正困扰着科学家：在NGC 1068星系（又称墨鱼星系）中探测到异常强烈的中微子信号，却伴随出人意料的微弱伽马射线辐射。

这些"眼睛"是一组埋藏在一立方公里冰层中的探测器集合，名为冰立方中微子天文台。来自加州大学洛杉矶分校、大阪大学和东京大学卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU，WPI）的理论物理学家正在利用对NGC 1068的观测结果，提出一条全新的中微子产生途径。

中微子是仅与引力发生微弱相互作用并能穿透物质的亚原子粒子。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，旨在搜寻中微子穿透冰层时与其相互作用并产生带电粒子的事件。

"我们有望远镜利用光线观测恒星，但许多这类天体物理系统也会释放中微子，"加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授、卡弗里IPMU高级研究员亚历山大·库森科表示。"要观测中微子，我们需要不同类型的望远镜，而这正是我们在南极设立的望远镜。"

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的伽马射线通量，暗示这些中微子可能以不同于先前设想的方式产生。NGC 1068的数据令人费解，因为通常认为来自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，该过程会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相伴出现。

NGC 1068的伽马射线辐射显著低于预期，并呈现出明显不同的能谱形态。包括基于质子-光子碰撞和星系高温等离子体区域（称为"冕"）辐射在内的传统模型，虽被广泛用于解释此类中微子信号，但面临理论局限，促使人们寻求新的解释。

在发表于《物理评论快报》的新论文中，库森科及其同事提出，来自NGC 1068的高能中微子主要源于星系喷流中的氦原子核在强紫外辐射下碎裂时中子的衰变。当这些氦原子核与星系中心区域释放的紫外光子碰撞时，它们发生碎裂，释放出的中子随后衰变为中微子。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，产生与观测到的较低强度一致的伽马射线。这一情景完美解释了为何中微子信号远超伽马射线辐射，并阐释了在中微子与伽马射线中观测到的独特能谱。

这一突破帮助科学家理解活动星系中的宇宙喷流如何能在没有相应伽马射线辉光的情况下释放强大中微子，为超大质量黑洞周围极端复杂的条件（包括我们银河系中心的黑洞）提供了新见解。

"我们对NGC 1068星系中心附近极端区域的了解非常有限，"库森科表示。"如果我们的理论得到证实，这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，如果氦原子核在超大质量黑洞喷流中加速，它会撞击光子并发生分裂，将其两个质子和两个中子抛洒到太空中。质子可以飞离，但中子不稳定，会解离或衰变为中微子，且不产生伽马射线。

"氢和氦是太空中两种最普遍的元素，"第一作者、加州大学洛杉矶分校博士生安田昂弘解释道。"但氢仅含质子，若该质子撞击光子，会同时产生中微子和强伽马射线。而中子则拥有形成中微子的额外途径且不产生伽马射线。因此氦极可能是我们在NGC 1068观测到的中微子来源。"

该研究揭示了隐藏的天体物理中微子源的存在，这些信号可能因伽马射线特征微弱而此前未被察觉。

"这一观点提供了超越传统冕模型的新视角。NGC 1068仅是宇宙中众多类似星系之一，未来对它们的更多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刚志表示。

如同NGC 1068，我们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，而中微子发现同样适用于我们的星系。尽管理解星系中心不一定直接促进人类福祉改善，但通过研究中微子等粒子及伽马射线等辐射所获取的知识，往往能引导技术走向令人惊讶的变革之路。

"当J·J·汤姆孙因发现电子获得1906年诺贝尔物理学奖时，他在颁奖晚宴上发表了著名祝酒词，称这可能是历史上最无用的发现，"库森科提到。"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。"

库森科同时指出，粒子物理学催生了万维网，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，核磁共振的发现曾看似深奥，却引领了磁共振成像技术的发展，而该技术如今已在医疗领域常规应用。

"我们正站在中微子天文学新领域的起点，来自NGC 1068的神秘中微子是我们前进途中必须解开的谜题之一，"库森科表示。"科学投入可能产出当下无法预见其价值的事物，但数十年后或将引发重大突破。这是长期投资，私营企业往往不愿投入我们所从事的研究。正因如此，政府对科学的资助至关重要，大学的存在意义非凡。"

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。