The Squid Galaxy's neutrino game just leveled up

这一发现为深入理解NGC 1068等星系（包括我们银河系）中心超大质量黑洞周围的极端环境提供了见解，并增强了我们对辐射与基本粒子之间关系的认识，这些关系可能引发我们尚未想象到的科技进步。

深埋于南极冰层中的"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令科学家们困惑不已：在NGC 1068星系（亦称乌贼星系）中，探测到异常强烈中微子信号的同时，伴随的伽马射线辐射却出人意料地微弱。

这些"眼睛"是由埋藏在一立方千米冰体中的探测器阵列组成的冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）。来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）、大阪大学及东京大学卡弗里数物连携宇宙研究机构（Kavli IPMU, WPI）的理论物理学家们，正利用其对NGC 1068的观测数据，提出一条全新的中微子产生路径。

中微子是仅与引力发生微弱相互作用的亚原子粒子，可穿透物质。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，这些传感器埋设在透明压缩的南极冰层中，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的事件。

"我们有望远镜利用光线观测恒星，但许多此类天体系统也会发射中微子，"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。"观测中微子需要特殊类型的望远镜，这正是我们在南极建立的观测设备。"

冰立方中微子望远镜探测到来自NGC 1068的高能中微子伴随微弱伽马射线流，暗示这些中微子可能以不同于此前认知的方式产生。NGC 1068的数据令人费解——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高能伽马射线成对出现。

NGC 1068的伽马射线辐射强度显著低于预期，且能谱形态截然不同。传统模型（包括基于质子-光子碰撞及星系高热等离子体区"冕"辐射的模型）虽被广泛用于解释此类中微子信号，但面临理论局限性，亟需寻求全新解释。

在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的新论文中，库先科与合作者提出：来自NGC 1068的高能中微子主要源自星系喷流中氦核在强紫外辐射下碎裂时中子的衰变。当这些氦核与星系中心区发射的紫外光子碰撞时发生碎裂，释放出的中子随后衰变成中微子。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，生成与观测到的低强度相一致的伽马射线。该机制精妙解释了中微子信号为何显著超越伽马射线辐射，并阐明了中微子与伽马射线中观测到的独特能谱特征。

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在不产生对应伽马射线辉光的情况下发射强效中微子，为揭示超大质量黑洞周围（包括银河系中心黑洞）极端复杂环境提供了新视角。

"我们对NGC1068星系中心附近的极端区域知之甚少，"库先科表示。"若我们的理论得到证实，将揭示该星系中心超大质量黑洞附近的环境信息。"

新论文提出：若氦核在超大质量黑洞喷流中加速，它将撞击光子并发生碎裂，将其两个质子和两个中子抛洒至太空。质子可飞离，但中子不稳定，会裂变（或衰变）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，"论文第一作者、UCLA博士生安田昂一郎（Koichiro Yasuda）阐释道。"但氢仅含单个质子，若该质子撞击光子，将同时产生中微子和强伽马射线。而中子拥有不产生伽马射线的额外中微子形成途径。因此氦核最可能是NGC 1068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，此前因其微弱伽马射线特征或致信号被忽视。

"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（Yoshiyuki Inoue）补充道。

如同NGC 1068，银河系中心也存在超大质量黑洞，其难以想像的巨大引力和能量会将原子撕裂，该中微子发现同样适用于我们的星系。尽管理解星系中心未必直接推动人类福祉提升，但通过研究中微子等粒子与伽马射线等辐射获得的知识，往往引导技术走向令人惊异的变革之路。

"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祝酒辞称：这可能是史上最无用的发现，"库先科举例道。"而如今每部智能手机、每件电子设备都运用了汤姆孙近125年前的发现。"

库先科同时指出，万维网诞生自粒子物理学领域——物理学家因实验室间海量数据传输需求而开发了该网络。他强调，核磁共振发现初期看似晦涩，却催生了磁共振成像技术，如今已常规应用于医学领域。

"我们正站在中微子天文学新领域的起点，NGC 1068的神秘中微子正是探索途中待解的谜题之一，"库先科总结道。"科学投资将催生当下或许无法预见、数十年后可能引发巨变的成果。这是长期投资，私营企业往往不愿投入我们所从事的研究。这正是政府科学资助如此重要，大学机构如此关键的原因。"

本研究由美国能源部、世界顶尖国际研究中心计划（WPI）及日本学术振兴会提供经费支持。