坠入南极洲的“幽灵粒子”可能会解开宇宙射线之谜

然而是什么样的极端宇宙“工厂”能制造这样的东西？这个问题已经困扰了科学家一个多世纪了。但是周四在《科学》杂志上，天体物理学家宣布他们可能已经发现了一条重要的线索，可以把宇宙射线的起源故事拼凑起来。

简而言之，他们认为宇宙射线来自于炽热星体，即拥有巨大黑洞的星系，其高能射流指向地球--射流如此强烈，甚至比周围整个星系区域都要强大。这是一种人们可能期望激烈的粒子产生的现象。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、冰立方中微子天文台首席科学家Francis Halzen在一份声明中说：“这当然意味着我们正坐在黑洞向我们喷出的粒子束中。”他没有参与这项新研究。

一个秘密的中微子“密码”

基本上，新研究的团队使用了推理的艺术来弄清楚这些奇怪的原子碎片来自哪里。

首先，他们追踪了一种叫做中微子的宇宙射线分支。中微子被称为“幽灵粒子”，它本身就是一个巨大的谜团。它们是如此躲避，几乎不与任何东西发生相互作用，但却有力地轰击着整个宇宙。当它们旅行时，中微子甚至不接触生命中最微小的构件--原子--这意味着数以万亿计的中微子实际上现在就在你的原子中飞驰着。你只是不知道而已。

然而，具体到宇宙射线，中微子被认为是在这些令人困惑的粒子寿命的某个地方开始的。可以说，它们的遗产是相互关联的。

因此，研究小组意识到，如果我们能够了解天体物理学中微子的来源，我们就会对宇宙射线的来源有一个可靠的想法。把中微子想象成小的阴暗的“信使”，告诉我们它们的宇宙射线来源在哪里。有趣的是，这些"粒子信使"正在催生一个全新的天文学领域，即多信使天文学。

与其仅仅依靠光来解码宇宙--例如美国宇航局卓越的詹姆斯-韦伯太空望远镜背后的驱动力--科学家可以调用难以捉摸的粒子，甚至是引力波，来剖析空间现象的来龙去脉。

“这就像同时感受、听到和看到。你会得到一个更好的理解，”克莱姆森大学物理学和天文学副教授、该研究的作者Marco Ajello在一份声明中说。“在天体物理学中也是如此，因为你从不同信使的多次探测中获得的洞察力比你只从光中获得的要详细得多。”

从南极内部进行搜索

因此，专注于多信使天文学，为了弄清事情的真相，科学家们首先分析了他们所谓的为搜索而优化的"最大的可用中微子数据集"，该数据集是从冰立方中微子天文台收集的，这是一个深埋在南极的科学基地。2017年，这个天文台检测到一个中微子，后来被追踪到一个名为TXS 0506+056的炽热星体。

但是对于这些炽热星体是否真的是制造宇宙射线的天然粒子加速器，仍然存在争议。例如，其他专家认为，宇宙射线是在太空中碰撞的星尘，是照亮宇宙的暴力超新星的产物。

尽管这种争论应该被平息，根据新的研究团队，因为它将冰立方的发现与炽热星的目录--确切地说，是PeVatron炽热星，它将粒子加速到至少10^15电子伏特--进行交叉检查，并获得了两者纠缠在一起的有力证据。

研究作者写道：“在这项工作中，我们表明，炽热星与高能天体物理中微子有明确的联系，置信度达到了前所未有的水平。”

“我们当时（在2017年）有一个暗示，现在我们有了证据，”Ajello说。

研究报告的共同作者，来自德国Julius-Maximilians-Universit?t的Sara Buson在一份声明中说：“这些结果首次提供了无可争议的观测证据，表明PeVatron炽热星的子样本是银河系外中微子源，因此是宇宙射线加速器。”

重要的是，Buson还指出，这些结果只是来自于对冰立方中微子数据“最有希望的”一组数据的研究--这意味着对背景数据的深入挖掘可以提供更有力的证据，并为今后的更多发现铺平道路。

正如Ajello所说，这一新的中微子线索 “使我们在解决宇宙射线起源这一世纪之谜方面向前迈进了一步”。