《华尔街日报》：幽灵般的中微子粒子为窥探邻近星系核心提供线索

一项新研究显示，中微子正从名为Messier 77的星系中心向地球飞来。图片来源：NASA /ESA/A. van der Hoeven埋在南极冰层下的巨型观测站帮助科学家们将一种名为中微子的难以捉摸的粒子追溯到附近星系中心的起源，这为研究一个被遮蔽的超大质量黑洞提供了新方法。

根据周四发表在《科学》期刊上的一项新研究，中微子正从距离地球约4700万光年的螺旋星系Messier 77的中心向地球飞来。在那里，一个物质和辐射密集的区域包围着一个质量是太阳数百万倍的黑洞。

Messier 77的星系核心位置特殊，当使用依赖可见光的望远镜等典型方法从地球观测时，围绕黑洞旋转的尘埃和气体遮蔽了这个天体。

“我们是从侧面观察这个星系，正因为如此，黑洞隐藏在围绕它运行的物质后面，”乔治亚理工学院物理学教授、进行这项研究的国际合作项目发言人伊格纳西奥·塔博阿达说。

但中微子——宇宙中数量最多、能量最高的粒子——却能不受影响地穿过这些气体和尘埃，因为它们几乎不与任何物质（包括磁场、物质或引力）发生相互作用。研究人员表示，这种幽灵般的特性为科学家提供了一种前所未有的手段，可以探测这个先前隐藏的黑洞周围发生的过程，包括它如何加速附近超高温带电气体和物质。

“中微子是观测宇宙的另一种方式。每次用新方法观察宇宙时，你都能学到用旧方法无法获得的知识，“塔博阿达博士说。

南极冰立方中微子天文台5000多个数据采集传感器之一。图片来源：马克·克拉斯伯格，冰立方/美国国家科学基金会中微子保留了它们在源产生时被烙印的信息，包括它们的能量，参与该研究的密歇根州立大学博士后助理汉斯·尼德豪森表示。这些能量会随着中微子一起被带到地球。

尼德豪森博士说，既然研究人员已经知道某些中微子的来源，他们正在研究这些粒子，以更好地了解梅西耶77星系中发生相互作用并产生和加速这些粒子的具体位置——以及黑洞本身的行为和性质。

他们还计划在宇宙中搜寻来自其他星系的类似梅西耶77号星系的活跃超大质量黑洞所产生的中微子。他补充道，这个星系“为我们提供了下一步寻找方向的绝佳线索”。

研究中使用的微中子探测望远镜名为冰立方中微子天文台，深埋于美国阿蒙森-斯科特南极站周围十亿吨冰层中。当中微子穿过地球时，偶尔会与冰中的原子发生碰撞。该天文台5000多个篮球大小的传感器能捕捉到这些罕见碰撞的副产品，并将数据传送到地表计算机。

这座耗资2.79亿美元的天文台主要由美国国家科学基金会资助，于2011年建成，每年可探测约10万颗中微子。其中绝大多数中微子产生于地球大气层内的活动，但每年有约数百颗来自太阳系外——即天体物理中微子。

这个实验室的计算机负责收集南极冰层下传感器传来的数据。图片来源：莫雷诺·巴里切维奇，冰立方/美国国家科学基金会由于中微子能穿透物质且不受影响，它们会从产生点沿直线精准传播。因此，通过绘制天体物理中微子在冰层中的运动轨迹，研究人员能逆向重构其穿越宇宙抵达地球的路径。

由来自50多个机构的近400名科学家组成的国际冰立方合作组织，分析了该观测站2011至2020年间收集的数据，从中识别出79个源自梅西耶77星系的中微子。

伦敦帝国理工学院物理学教授、未参与该研究的Yoshi Uchida博士表示，冰立方能定位天体物理中微子的单个来源"简直不可思议”，“运行十年后，它正将中微子观测转化为另一种信息来源”。

Taboada博士认为冰立方将持续捕获更多来自该星系的中微子。威斯康星大学麦迪逊分校物理学家、冰立方首席研究员Francis Halzen指出，这些未来探测不仅能解析梅西耶77星系超大质量黑洞的更多细节，还可能解答"天文学最古老的问题”。

一个多世纪以来，科学家已知宇宙射线——以近光速运动的高能质子和原子核流，撞击地球大气时会产生电磁辐射和亚原子粒子簇射——的存在。但这些射线的起源，以及何种机制使其加速并射向地球，仍是未解之谜。

“宇宙中的某种力量给了它们巨大的动能，使其达到如此高速，“Niederhausen博士在谈及宇宙射线时说道。

中微子是宇宙射线与超大质量黑洞等高能天体周围物质及辐射相互作用的副产品，因此哈尔岑博士和塔博阿达博士表示，追踪这些幽灵般的粒子回溯其源头，也可能有助于解开宇宙射线的起源之谜。

联系作者艾琳·伍德沃德，邮箱：[email protected]