黑洞幽灵粒子撞击地球被捕获

40亿年前，一个拥有黑洞核心的巨大星系以接近光速的速度喷射出一股粒子流。其中一颗粒子，一个比普通原子小得多的中微子，穿越宇宙，目标是地球，最终于去年9月撞击了南极的冰盖。当它撞击时，科学家们埋在冰中的中微子探测器记录了中微子带电相互作用产生的短暂蓝色闪光。相关结果今天发表在《科学》杂志上。

这是人类历史上第二次科学家能够确定来自太阳系外中微子的起源。而且，这是首次证实中微子是由星系中心的超大质量黑洞产生的——这是一个有些出乎意料的来源。

中微子是高能粒子，它们几乎不与物质发生相互作用，能够穿过物质而不被察觉。确定产生这些粒子的宇宙事件类型，对于理解宇宙的本质至关重要。在此之前，除了太阳之外，唯一已确认的中微子来源是1987年记录下的一次超新星爆发。

物理学家对可能产生中微子的天体事件有多种理论，其中一些人认为耀变体可能是来源。耀变体是中心有黑洞的巨大星系。当它们试图一次性吸入过多的物质时，可能会导致粒子喷流以惊人的速度向外喷射。耀变体喷流就像巨型粒子加速器，被认为可以产生宇宙射线，进而产生中微子。

“这次（探测）尤其是一次偶然的机会，”中微子探测项目IceCube的首席科学家之一Darren Grant说。“那里有一个耀变体恰好在合适的时间活动，而我们恰好捕捉到了它。这是‘啊哈时刻’之一。你希望在职业生涯中经历几次这样的时刻，而这就是其中一次，一切都完美契合。”

这张图片结合了南极IceCube实验室的真实照片、项目深埋冰层下的传感器以及探测到中微子的遥远耀变体的艺术渲染图。（图片来源：IceCube/NSF）

宇宙信使

2017年9月22日，中微子到达南极冰盖，以恰当的角度擦过冰晶，引发相互作用，产生了一个亚原子粒子（称为μ子）。由此产生的蓝色闪光被埋藏在冰中的IceCube 5160个探测器之一记录了下来。探测发生时，Grant正在办公室里。这颗中微子的能量是太阳发出的中微子的3亿倍。

Grant和他的同事短暂地欣赏了描绘μ子轨迹的绝佳图像，这些图像提供了追踪中微子起源所需的基本信息。然而，他们还没有太过兴奋。他的团队每年会观测到大约10到20颗高能中微子，但要精确确定中微子的来源，需要太空、时间和能量等一系列事件的正确组合。到目前为止，这种完美的契合一直未能实现。然而，当Grant的团队开始分析时，他们开始缩小范围，聚焦于一个区域：一个名为TXS 0506+056的异常明亮的耀变体。

探测发生后，自动警报发送给了世界各地监测各种宇宙信号（如射电波和伽马射线）的其他天文团队。几天后，一支使用加那利群岛MAGIC望远镜的科学家团队传来了激动人心的消息：中微子的到达与伽马射线的爆发同时发生——伽马射线是能量极高的光子——这些伽马射线也来自TXS 0506+056的方向。

其他团队也观测到了X射线和无线电信号的变化。总而言之，这些数据对于物理学家理解耀变体以及高能宇宙事件方面来说，是向前迈出的重要一步。

想了解更多关于中微子的信息，请阅读我们2014年的杂志报道：“中微子：宇宙的幽灵”

未参与这项研究的夏威夷大学马诺阿分校的John Learned表示，将耀变体链接为来源的数据“令人信服”，并强调了这一发现的重要性。“这是许多长期科学梦想的实现。高能中微子可以告诉我们这些极其明亮天体的内部情况……这一发现的意义在于，我们现在终于……能够窥视最密集、最明亮的天体内部，并进一步掌握驱动它们并为这些宏伟现象提供动力的‘创世神迹’。”

例如，这项探测还提供了耀变体可以产生IceCube所观测到的中微子所需的高能质子的第一个证据。高能质子的来源仍然在很大程度上是未解之谜，因此确定其中一个来源是天文学家又迈出的重要一步。“我们确实确信，我们已经解开了这个谜题的一角，”Grant说。

IceCube在探测到中微子与冰的相互作用后发出的警报，促使约20个地球和太空观测台进行了后续观测。这项巨大的努力最终清晰地确定了一个遥远的耀变体是中微子——以及伽马射线、X射线、射电辐射和可见光的来源。（图片来源：Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube）

往昔珍宝

而且还有更好的消息。“我们回顾了（自2010年以来收集的）[历史]数据，发现在这个特定耀变体源的方向上，我们发现了非常 remarkable 的东西，”Grant说。2014年末至2015年初，一批来自TXS 0506+056的高能中微子和伽马射线抵达地球。当时，IceCube的实时警报系统尚未完全运行，因此其他科学团队并未意识到这一探测。但现在，这些之前的中微子已经引起了科学家的注意，提供了对耀变体生命周期的更长远的观察。

“这真是锦上添花，因为[历史数据表明]这个源在过去曾经活跃于中微子，然后又在9月份出现了这个非常高能的中微子——这些信息真的开始汇集起来，描绘出那里发生的事情，”Grant解释道。

数据还显示，在9月中微子探测之前的18个月里，TXS 0506+056的射电辐射逐渐增强。阿尔伯塔大学副教授Greg Sivakoff，曾协助分析数据，他说一种可能性是，在此期间，黑洞开始以更快的速度吞噬周围物质，导致喷射出的粒子流加速。他说：“如果喷流过快，它可能会撞到自己的物质，产生天文学家称之为‘激波’的东西。激波在天文学中长期被用来解释粒子如何被加速到高能。我们还不确定这就是答案，但这可能是故事的一部分。”

科学家们正在继续监测TXS 0506+056，希望了解更多关于这一巨大事件的信息。一个团队进行了详细分析，以确定该耀变体距离我们有多远，令人惊讶地发现它竟然远在40亿光年之外。虽然TXS 0506+056一直被认为是天空中明亮的天体，但在这个距离上的这种亮度使其成为宇宙中最明亮的天体之一。毫无疑问，对这个强大的耀变体的未来研究将为我们宇宙中最具能量的事件提供宝贵的见解。

Learned说：“我们只是打开了一扇新门，我希望能说出我们将在门后发现什么。但我保证，启动这种新的观测宇宙的方式将带来惊喜和新的见解。用一个极端的类比来说，这就像问伽利略他的新天文望远镜会发现什么一样。”