在亞原子粒子的動物園中，中微子是奇怪的野獸。與更常見的粒子（如電子和質子）不同，幽靈般的中微子幾乎不與其他物質相互作用：它們可以徑直穿過一顆行星，彷彿它不存在一樣。這使得探測它們變得異常困難，而且對於從天空中宇宙物體中湧入的中微子來說，更難確切知道它們來自哪裡。然而，在最近發表在《科學》雜誌上的一項研究中，研究人員確定了這些亞原子粒子的河外來源。
天文學家首次自信地探測到來自 NGC 1068 的中微子，這是一箇中心有一個巨大且活躍的黑洞的星系。中微子是在黑洞的“不歸路點”——即事件視界——之外產生的，儘管尚不清楚具體是如何產生的；幾種機制是合理的。科學家們希望這一發現將改變他們對 NGC 1068 以及所有此類星系的理解。此外，他們認為這一發現可能揭示了我們在天空中隨處可見的微弱中微子輝光的來源。
落向黑洞的物質首先形成一個扁平的吸積盤，圍繞黑洞旋轉。摩擦將這個物質盤加熱到難以置信的溫度，使其發出如此明亮的光芒，以至於超過了整個宿主星系。我們將這樣的星系稱為“活躍”星系，它們是宇宙中最明亮的天體之一。
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對於 NGC 1068 而言，探測到那耀眼的光芒很困難，因為厚厚的、不透明的宇宙塵埃幾乎吸收了所有的光，幾乎沒有訊號發出。 這時，中微子最令人惱火的特性對我們來說就成了一種優勢：它們可以徑直穿過那些塵埃雲並飛向太空，最終到達地球。 然而，我們仍然面臨著探測它們的問題。 當中微子毫髮無損地穿過您的探測器時，您如何測量它們？ 好訊息是，對於中微子來說，物質只是大部分可滲透的。 雖然極其罕見，但有些中微子確實設法與物質相互作用——但這需要一種非常特殊的天文臺才能看到它。
冰立方中微子天文臺幾乎位於地球南極，正是這樣一個地方，而且它不是標準的 астрономическое facility。 首先，它不像望遠鏡那樣使用反射鏡來收集和聚焦來自宇宙物體的光； 相反，它有一系列相對簡單的光學感測器，懸掛在數十根垂直繩索上，形成一個由 5,000 多個感測器組成的 3D 陣列，可以探測光閃爍的位置和時間。
其次，它埋在超過一公里的南極冰層之下。 當中微子穿過冰層時，它有很小的機會撞擊冰層中氧原子或氫原子之一的原子核。 但實際的撞擊極其罕見：每秒有數萬億個中微子穿過地球上每立方厘米的物質，但與該物質發生可測量的物理相互作用可能要幾天才發生一次。
當它們確實發生時，它們會產生高速亞原子碎片——粒子以略低於光速的速度遠離核碰撞地點。 這些碎片也會犁過冰層。 有趣的是：它們的實際速度比光在冰中傳播的速度還要快。 不過，沒有任何物理定律被打破。 真空中的光速是最終的宇宙速度極限，但光在穿過物質時速度會變慢。 粒子不能在真空中以超過光速的速度移動，但它們可以在物質中以超過光速的速度傳播。 當它們這樣做時，它們會產生一種光子轟鳴，就像物體在空氣中以超過音速的速度傳播時產生的衝擊波一樣。 這些超光速事件表現為明亮的藍色閃光，稱為切倫科夫輻射。 它們可以在清澈的南極冰層中被看到一段距離，並且可以被冰立方探測器捕捉到。
這種現象使科學家能夠探測來自太空的中微子事件，但存在一個問題，即不希望有的事件會模仿所需的訊號。 來自宇宙中其他來源的亞原子粒子，稱為宇宙射線，會撞擊我們的大氣層併產生類似的光閃，從而混淆測量結果。 然而，科學家們可以透過一種巧妙的方法來區分這兩種訊號：透過將地球本身用作巨大的過濾器。 來自太空的中微子將來自各個方向，包括穿過地球向上。 然而，宇宙射線只會來自南極天文臺上方的天空，因為它們不能像中微子那樣直接穿過地球。 冰立方中的探測器可以測量方向並濾除來自上方的事件，從而確保科學家只保留來自宇宙中微子的命中。
冰立方總共探測到數百萬箇中微子，但最多隻有幾百個似乎來自真正的宇宙天體。 宇宙中的某些事物是這些中微子的來源。 問題是，它們是什麼？
回顧 2011 年至 2020 年期間獲取的資料，冰立方合作組織——一個由科學家、工程師、資料分析師等組成的龐大團隊——非常仔細地處理了探測到的每個事件。 他們利用來自閃光的方向資訊來追蹤入射宇宙中微子的軌跡，發現在天空中發現了幾個似乎是具有統計學意義的中微子來源的點。
探測到中微子數量最多的是什麼？ 在此期間，總共有 79 個（正負 20 個左右）中微子來自 NGC 1068 的方向。
這個可愛的旋渦星系相對較近——距離我們僅 4700 萬光年——而且足夠明亮，可以用雙筒望遠鏡觀測到。 早期分析冰立方中微子的工作表明 NGC 1068 可能是中微子的來源，但當時的資料不夠有力，無法聲稱這是一項發現。 這些結果改變了這一點。
探測到表面上來自這個活躍星系的中微子是一件大事。 天文學家看到的中微子具有驚人的高能量：每個中微子超過一萬億電子伏特。 這比我們看到的來自星系的可見光光子的能量高數萬億倍。 粒子的巨大能量必須在極其強大的宇宙粒子加速器中產生，並且對於一個活躍的超大質量黑洞，有幾種可能性。
例如，黑洞周圍物質盤上方和下方的湍流電離物質雲非常熱，並且包含強大的磁場，可以將巨大的能量泵入粒子，將它們加速到接近光速。 另一種方式是吸積盤中的磁場在黑洞附近扭曲，形成雙渦旋，如龍捲風，稱為噴流，可以將粒子高速拋射出去。 當噴流中的帶電粒子相互撞擊時產生的衝擊波也可能產生高能中微子所需的能量。 已知 NGC 1068 中存在此類噴流。
探測到來自 NGC 1068 的這些中微子將使天文學家深入瞭解那裡涉及的力量，以及哪些特定的引擎對此負責——考慮到黑洞的隱蔽性，這確實是一個福音。
在地球上探測到的 NGC 1068 中微子不到 100 個，但它們在穿越浩瀚的太空時會被稀釋。 考慮到這種減少，天文學家表示，黑洞產生的總中微子數量一定非常巨大，以至於它們帶走的能量是太陽輻射能量的十億倍。
這些觀測結果也為另一個謎團提供了重要線索。 中微子從天空的四面八方來到地球，在天空中形成背景輝光。 這種輝光的來源一直難以確定。 在冰立方資料中也觀察到了來自其他幾個活躍星系的中微子（儘管統計確定性不如 NGC 1068），並且整個宇宙中存在數百萬個此類星系。 新資料表明，如果它們像 NGC 1068 一樣發射中微子，那麼這些更遙遠的星系可能是宇宙中微子背景的來源，類似於夜間在黑暗的地方可以看到的銀河系的連續輝光是由天空中單個恆星模糊在一起形成的。
不久之前，我們只知道兩個天文中微子源：太陽（中微子在其核心的核火中產生）和超新星 1987A（一顆相對較近的爆炸恆星，它曾短暫地閃爍一次中微子，然後就消失了）。
宇宙中每個大型星系的中心都有一個超大質量黑洞，而且任何一個都可能處於活躍狀態。 然而，儘管它們無處不在，但卻很難觀察到。 隨著探測到來自至少一個，甚至可能是多個黑洞的中微子，天文學家為這些驚人的怪獸打開了一扇新的視窗。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。