《華爾街日報》：幽靈般的中微子粒子為窺探鄰近星系核心提供線索

一項新研究顯示，中微子正從名為Messier 77的星系中心向地球飛來。圖片來源：NASA /ESA/A. van der Hoeven埋在南極冰層下的巨型觀測站幫助科學家們將一種名為中微子的難以捉摸的粒子追溯到附近星系中心的起源，這為研究一個被遮蔽的超大質量黑洞提供了新方法。

根據週四發表在《科學》期刊上的一項新研究，中微子正從距離地球約4700萬光年的螺旋星系Messier 77的中心向地球飛來。在那裏，一個物質和輻射密集的區域包圍着一個質量是太陽數百萬倍的黑洞。

Messier 77的星系核心位置特殊，當使用依賴可見光的望遠鏡等典型方法從地球觀測時，圍繞黑洞旋轉的塵埃和氣體遮蔽了這個天體。

“我們是從側面觀察這個星系，正因為如此，黑洞隱藏在圍繞它運行的物質後面，”喬治亞理工學院物理學教授、進行這項研究的國際合作項目發言人伊格納西奧·塔博阿達説。

但中微子——宇宙中數量最多、能量最高的粒子——卻能不受影響地穿過這些氣體和塵埃，因為它們幾乎不與任何物質（包括磁場、物質或引力）發生相互作用。研究人員表示，這種幽靈般的特性為科學家提供了一種前所未有的手段，可以探測這個先前隱藏的黑洞周圍發生的過程，包括它如何加速附近超高温帶電氣體和物質。

“中微子是觀測宇宙的另一種方式。每次用新方法觀察宇宙時，你都能學到用舊方法無法獲得的知識，“塔博阿達博士説。

南極冰立方中微子天文台5000多個數據採集傳感器之一。圖片來源：馬克·克拉斯伯格，冰立方/美國國家科學基金會中微子保留了它們在源產生時被烙印的信息，包括它們的能量，參與該研究的密歇根州立大學博士後助理漢斯·尼德豪森表示。這些能量會隨着中微子一起被帶到地球。

尼德豪森博士説，既然研究人員已經知道某些中微子的來源，他們正在研究這些粒子，以更好地瞭解梅西耶77星系中發生相互作用併產生和加速這些粒子的具體位置——以及黑洞本身的行為和性質。

他們還計劃在宇宙中搜尋來自其他星系的類似梅西耶77號星系的活躍超大質量黑洞所產生的中微子。他補充道，這個星系“為我們提供了下一步尋找方向的絕佳線索”。

研究中使用的微中子探測望遠鏡名為冰立方中微子天文台，深埋於美國阿蒙森-斯科特南極站周圍十億噸冰層中。當中微子穿過地球時，偶爾會與冰中的原子發生碰撞。該天文台5000多個籃球大小的傳感器能捕捉到這些罕見碰撞的副產品，並將數據傳送到地表計算機。

這座耗資2.79億美元的天文台主要由美國國家科學基金會資助，於2011年建成，每年可探測約10萬顆中微子。其中絕大多數中微子產生於地球大氣層內的活動，但每年有約數百顆來自太陽系外——即天體物理中微子。

這個實驗室的計算機負責收集南極冰層下傳感器傳來的數據。圖片來源：莫雷諾·巴里切維奇，冰立方/美國國家科學基金會由於中微子能穿透物質且不受影響，它們會從產生點沿直線精準傳播。因此，通過繪製天體物理中微子在冰層中的運動軌跡，研究人員能逆向重構其穿越宇宙抵達地球的路徑。

由來自50多個機構的近400名科學家組成的國際冰立方合作組織，分析了該觀測站2011至2020年間收集的數據，從中識別出79個源自梅西耶77星系的中微子。

倫敦帝國理工學院物理學教授、未參與該研究的Yoshi Uchida博士表示，冰立方能定位天體物理中微子的單個來源"簡直不可思議”，“運行十年後，它正將中微子觀測轉化為另一種信息來源”。

Taboada博士認為冰立方將持續捕獲更多來自該星系的中微子。威斯康星大學麥迪遜分校物理學家、冰立方首席研究員Francis Halzen指出，這些未來探測不僅能解析梅西耶77星系超大質量黑洞的更多細節，還可能解答"天文學最古老的問題”。

一個多世紀以來，科學家已知宇宙射線——以近光速運動的高能質子和原子核流，撞擊地球大氣時會產生電磁輻射和亞原子粒子簇射——的存在。但這些射線的起源，以及何種機制使其加速並射向地球，仍是未解之謎。

“宇宙中的某種力量給了它們巨大的動能，使其達到如此高速，“Niederhausen博士在談及宇宙射線時説道。

中微子是宇宙射線與超大質量黑洞等高能天體周圍物質及輻射相互作用的副產品，因此哈爾岑博士和塔博阿達博士表示，追蹤這些幽靈般的粒子回溯其源頭，也可能有助於解開宇宙射線的起源之謎。

聯繫作者艾琳·伍德沃德，郵箱：[email protected]