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超大质量黑洞的日冕可能是神秘宇宙中微子的隐藏来源

  • 科学
  • 2020-07-02 08:37:31
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IceCube中微子天文台观测到的高能宇宙中微子的起源是一个使物理学家和天文学家感到困惑的谜团,它的探测器被埋在南极冰层深处。一个新的模型可以帮助解释由最近的中微子和伽马射线数据推断出的某些中微子出乎意料的大通量。宾夕法尼亚州立大学研究人员描述该模型的论文指出,该模型指向了活跃星系核心中发现的超大质量黑洞,这些黑洞是这些神秘中微子的来源,并于2020年6月30日发表在《物理评论快报》上。

宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学和天体物理学助理教授,美国宾夕法尼亚大学多信使天文学中心成员科塔·穆拉塞说:“中微子是微小的亚原子粒子,其质量几乎为零,很少与其他物质相互作用。”引力和宇宙(IGC)领导了这项研究。“高能宇宙中微子是由宇宙中的高能宇宙射线加速器产生的,它们可能是极端的天体物体,例如黑洞和中子星。它们必须伴有伽马射线或较低能量的电磁波,甚至有时还有重力波。因此,我们期望观察到的各种“宇宙信使”的水平是相关的。有趣的是,IceCube数据表明,与费米伽马射线太空望远镜所看到的相应高能伽马射线的水平相比,能量低于100兆电子伏特(TeV)的中微子的过量发射。”

科学家们结合了来自所有这些宇宙信使的信息,以了解宇宙中的事件,并在“多重信使天体物理学”这个新兴领域重建其演化。对于极端的宇宙事件,例如大规模的恒星爆炸和产生中微子的超大质量黑洞喷流,这种方法已帮助天文学家查明了遥远的源头,每个额外的信使都为现象的细节提供了其他线索。

对于高于100 TeV的宇宙中微子,宾州州立大学之前的研究表明,可以与高能伽马射线和超高能宇宙射线保持一致,这与多信使图相吻合。但是,越来越多的证据表明中微子的含量低于100 TeV,这不能简单解释。最近,IceCube中微子天文台向北空向另一个最明亮的活跃星系之一NGC 1068方向报告了另一高能中微子。

“我们知道高能中微子的来源也必须产生伽马射线,所以问题是:这些缺失的伽马射线在哪里?”村濑说。“在我们看来,这些源在某种程度上隐藏在高能伽马射线中,而释放到宇宙中的中微子的能量收支令人惊讶地巨大。这类源的最佳候选者是密集的环境,在这种环境中,伽马射线会被它们的阻挡我们的新模型表明,超大质量黑洞系统是很有前途的场所,该模型可以用适度的能量学要求解释低于100 TeV的中微子。”

新模型表明,在星系核心发现的超大质量黑洞周围的日冕(围绕恒星和其他天体的超高温等离子体的光环)可能就是这种来源。天体物理学家认为,类似于日食期间太阳照片中所看到的日冕,天体物理学家认为黑洞在物质的旋转圆盘(称为吸积盘)上方具有一个电晕,该物质通过重力作用在黑洞周围形成。这种电晕极热(温度约为十亿度开尔文),磁化且湍流。在这种环境中,粒子可能会加速,从而导致粒子碰撞,从而产生中微子和伽马射线,但是环境密度很高,足以防止高能伽马射线逸出。

村濑说:“该模型还预测了中微子源的电磁形式会以'软'伽马射线而不是高能伽马射线发生。”“高能伽马射线将被阻止,但这还不是故事的结局。它们最终将被级联以降低能量,并以兆电子伏特范围内的“软”伽马射线的形式释放,但是大多数现有的伽马射线费米伽马射线太空望远镜之类的探测器没有经过调谐来探测它们。”

有一些正在开发的项目是专门为探索从太空发出的这种软伽马射线而设计的。此外,即将到来的下一代中微子探测器,地中海中的KM3Net和南极洲的IceCube-Gen2将对放射源更加敏感。有希望的目标包括北部天空的NGC 1068(据报道中微子排放过多)和南部天空中最亮的几个活跃星系。

村濑说:“这些新的伽马射线和中微子探测器将使人们能够更深入地搜索超大质量黑洞日冕的多信使发射。”“这将使我们有可能像我们的模型所预测的那样,严密地检查这些来源是否是由IceCube观测到的中能级中微子通量大的原因。”

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