百年謎題：宇宙線的起源

宇宙線是一種來自外太空的高能帶電粒子，它們的能量可高達 10² eV，遠高于用地球上最強大的粒子加速器（即大型強子對撞機，LHC）所能達到的能量。這些粒子以接近光速的速度在宇宙中傳播，不斷地轟擊著地球。

一百多年來，天體物理學(xué)家都試圖了解這些來自外太空的高能粒子的性質(zhì)和起源，并想要知道究竟是什么樣的強大力量在推動著它們。但由于宇宙線是帶電粒子，所以它們在傳播途中會受到星系磁場的影響從而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就使得追蹤宇宙線的真正起源變得極其棘手。

幸運的是，在宇宙線的誕生地實際上還會產(chǎn)生其他粒子，其中包括伽馬射線與中微子。與伽馬射線不同，天體物理中微子完全是在涉及宇宙線加速的過程中產(chǎn)生的。此外，由于中微子還具有電中性的特點，因此它們可以不受電磁力的影響，所以天體物理中微子可被用作為尋找宇宙線源的獨特工具。

作為宇宙中的基本粒子之一，中微子就像是幽靈一般，非常難以捉摸。它們的質(zhì)量非常微小，幾乎不與任何物質(zhì)相互作用。它們可以輕易地穿過地球，而不留下痕跡，因此探測中微子也是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事。盡管迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)收集了大量的觀測數(shù)據(jù)，但高能的天體物理中微子與產(chǎn)生它們的天體物理源之間的聯(lián)系，仍是一個懸而未決的問題。

聚焦耀變體

在高能中微子的候選來源中，耀變體是一類廣受關(guān)注的天體。

耀變體是一類 " 活動星系核 "（AGN），由位于其宿主星系中心的超大質(zhì)量黑洞驅(qū)動。AGN 的一個標(biāo)志性幾何特征是，從快速旋轉(zhuǎn)的黑洞的兩極會發(fā)射出的相對論噴流，而耀變體指的就是噴流恰好指向的是地球的 AGN。

深埋在南極冰層中的冰立方中微子天文臺（IceCube）是目前運行中的最靈敏的中微子探測器。2017 年，IceCube 測到了一個中微子，科學(xué)家追蹤到，它來自耀變體 TXS 0506+056。

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耀變體將中微子和宇宙射線引向地球的藝術(shù)溝詳圖。（圖 /IceCube / NASA）

這篇發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的論文一經(jīng)發(fā)表，就引發(fā)了一場關(guān)于耀變體是否就是宇宙線的加速器的爭論。

前所未有的證據(jù)

現(xiàn)在，一項新的多信使研究讓我們距離揭開這個謎團又近了一步。一個國際物理學(xué)家團隊在《天體物理學(xué)期刊快報》雜志上發(fā)表了一篇論文，報告了他們以前所未有的置信水平，證明了耀變體是天體物理中微子的起源。

2017 年，研究人員利用 IceCube 收集的中微子數(shù)據(jù)，以及一份被確定為耀變體的天體目錄，發(fā)現(xiàn)了強有力的證據(jù)，表明觀測到的高能中微子源自于耀變體的一個子集。當(dāng)時，這一結(jié)論是巧合的概率不到百萬分之一。

在新的研究工作中，研究人員突破了以往搜索的局限性。他們通過使用 IceCube 在 2008 到 2015 年間收集到的中微子數(shù)據(jù)，將 2017 年的發(fā)現(xiàn)變成了無可爭議的證據(jù)。新的統(tǒng)計分析提供了觀測證據(jù)，讓研究人員以前所未有的置信水平明確地證明，高能天體物理中微子與耀變體有關(guān)，耀變體就是天體物理中微子的 " 工廠 "，也是銀河系外的宇宙射線加速器。

多信使天文學(xué)的未來

發(fā)現(xiàn)這些高能中微子的 " 工廠 " 是天體物理學(xué)的一個重要里程碑。它使我們在揭示宇宙線起源的百年之謎上向前邁出了一步。接下來，研究人員將研究這些耀變體，以了解是什么讓它們成為如此優(yōu)異的宇宙線加速器的。此外，目前的統(tǒng)計分析只集中在了 IceCube 的最有希望的那部分中微子數(shù)據(jù)集上。研究人員認(rèn)為，更進一步的精密分析或許還將帶來更多的發(fā)現(xiàn)。

這項研究體現(xiàn)了多信使天文學(xué)的重要性。幾千年來，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家依靠光來研究宇宙。但現(xiàn)在，除了光之外，他們還可以探測到其他 " 信使 "，如宇宙線、中微子和引力波。這就像是觸覺、聽覺和視覺同時在發(fā)揮作用，幫助我們更好地探索世界。在天體物理學(xué)中也是如此，從不同信使的多次探測中得到的洞見，要比只從光中得到的要詳細(xì)得多。