在亚原子粒子的动物园中，中微子是奇怪的野兽。与更常见的粒子（如电子和质子）不同，幽灵般的中微子几乎不与其他物质相互作用：它们可以径直穿过一颗行星，仿佛它不存在一样。这使得探测它们变得异常困难，而且对于从天空中宇宙物体中涌入的中微子来说，更难确切知道它们来自哪里。然而，在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员确定了这些亚原子粒子的河外来源。
天文学家首次自信地探测到来自 NGC 1068 的中微子，这是一个中心有一个巨大且活跃的黑洞的星系。中微子是在黑洞的“不归路点”——即事件视界——之外产生的，尽管尚不清楚具体是如何产生的；几种机制是合理的。科学家们希望这一发现将改变他们对 NGC 1068 以及所有此类星系的理解。此外，他们认为这一发现可能揭示了我们在天空中随处可见的微弱中微子辉光的来源。
落向黑洞的物质首先形成一个扁平的吸积盘，围绕黑洞旋转。摩擦将这个物质盘加热到难以置信的温度，使其发出如此明亮的光芒，以至于超过了整个宿主星系。我们将这样的星系称为“活跃”星系，它们是宇宙中最明亮的天体之一。
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对于 NGC 1068 而言，探测到那耀眼的光芒很困难，因为厚厚的、不透明的宇宙尘埃几乎吸收了所有的光，几乎没有信号发出。 这时，中微子最令人恼火的特性对我们来说就成了一种优势：它们可以径直穿过那些尘埃云并飞向太空，最终到达地球。 然而，我们仍然面临着探测它们的问题。 当中微子毫发无损地穿过您的探测器时，您如何测量它们？ 好消息是，对于中微子来说，物质只是大部分可渗透的。 虽然极其罕见，但有些中微子确实设法与物质相互作用——但这需要一种非常特殊的天文台才能看到它。
冰立方中微子天文台几乎位于地球南极，正是这样一个地方，而且它不是标准的 астрономическое facility。 首先，它不像望远镜那样使用反射镜来收集和聚焦来自宇宙物体的光； 相反，它有一系列相对简单的光学传感器，悬挂在数十根垂直绳索上，形成一个由 5,000 多个传感器组成的 3D 阵列，可以探测光闪烁的位置和时间。
其次，它埋在超过一公里的南极冰层之下。 当中微子穿过冰层时，它有很小的机会撞击冰层中氧原子或氢原子之一的原子核。 但实际的撞击极其罕见：每秒有数万亿个中微子穿过地球上每立方厘米的物质，但与该物质发生可测量的物理相互作用可能要几天才发生一次。
当它们确实发生时，它们会产生高速亚原子碎片——粒子以略低于光速的速度远离核碰撞地点。 这些碎片也会犁过冰层。 有趣的是：它们的实际速度比光在冰中传播的速度还要快。 不过，没有任何物理定律被打破。 真空中的光速是最终的宇宙速度极限，但光在穿过物质时速度会变慢。 粒子不能在真空中以超过光速的速度移动，但它们可以在物质中以超过光速的速度传播。 当它们这样做时，它们会产生一种光子轰鸣，就像物体在空气中以超过音速的速度传播时产生的冲击波一样。 这些超光速事件表现为明亮的蓝色闪光，称为切伦科夫辐射。 它们可以在清澈的南极冰层中被看到一段距离，并且可以被冰立方探测器捕捉到。
这种现象使科学家能够探测来自太空的中微子事件，但存在一个问题，即不希望有的事件会模仿所需的信号。 来自宇宙中其他来源的亚原子粒子，称为宇宙射线，会撞击我们的大气层并产生类似的光闪，从而混淆测量结果。 然而，科学家们可以通过一种巧妙的方法来区分这两种信号：通过将地球本身用作巨大的过滤器。 来自太空的中微子将来自各个方向，包括穿过地球向上。 然而，宇宙射线只会来自南极天文台上方的天空，因为它们不能像中微子那样直接穿过地球。 冰立方中的探测器可以测量方向并滤除来自上方的事件，从而确保科学家只保留来自宇宙中微子的命中。
冰立方总共探测到数百万个中微子，但最多只有几百个似乎来自真正的宇宙天体。 宇宙中的某些事物是这些中微子的来源。 问题是，它们是什么？
回顾 2011 年至 2020 年期间获取的数据，冰立方合作组织——一个由科学家、工程师、数据分析师等组成的庞大团队——非常仔细地处理了探测到的每个事件。 他们利用来自闪光的方向信息来追踪入射宇宙中微子的轨迹，发现在天空中发现了几个似乎是具有统计学意义的中微子来源的点。
探测到中微子数量最多的是什么？ 在此期间，总共有 79 个（正负 20 个左右）中微子来自 NGC 1068 的方向。
这个可爱的旋涡星系相对较近——距离我们仅 4700 万光年——而且足够明亮，可以用双筒望远镜观测到。 早期分析冰立方中微子的工作表明 NGC 1068 可能是中微子的来源，但当时的数据不够有力，无法声称这是一项发现。 这些结果改变了这一点。
探测到表面上来自这个活跃星系的中微子是一件大事。 天文学家看到的中微子具有惊人的高能量：每个中微子超过一万亿电子伏特。 这比我们看到的来自星系的可见光光子的能量高数万亿倍。 粒子的巨大能量必须在极其强大的宇宙粒子加速器中产生，并且对于一个活跃的超大质量黑洞，有几种可能性。
例如，黑洞周围物质盘上方和下方的湍流电离物质云非常热，并且包含强大的磁场，可以将巨大的能量泵入粒子，将它们加速到接近光速。 另一种方式是吸积盘中的磁场在黑洞附近扭曲，形成双涡旋，如龙卷风，称为喷流，可以将粒子高速抛射出去。 当喷流中的带电粒子相互撞击时产生的冲击波也可能产生高能中微子所需的能量。 已知 NGC 1068 中存在此类喷流。
探测到来自 NGC 1068 的这些中微子将使天文学家深入了解那里涉及的力量，以及哪些特定的引擎对此负责——考虑到黑洞的隐蔽性，这确实是一个福音。
在地球上探测到的 NGC 1068 中微子不到 100 个，但它们在穿越浩瀚的太空时会被稀释。 考虑到这种减少，天文学家表示，黑洞产生的总中微子数量一定非常巨大，以至于它们带走的能量是太阳辐射能量的十亿倍。
这些观测结果也为另一个谜团提供了重要线索。 中微子从天空的四面八方来到地球，在天空中形成背景辉光。 这种辉光的来源一直难以确定。 在冰立方数据中也观察到了来自其他几个活跃星系的中微子（尽管统计确定性不如 NGC 1068），并且整个宇宙中存在数百万个此类星系。 新数据表明，如果它们像 NGC 1068 一样发射中微子，那么这些更遥远的星系可能是宇宙中微子背景的来源，类似于夜间在黑暗的地方可以看到的银河系的连续辉光是由天空中单个恒星模糊在一起形成的。
不久之前，我们只知道两个天文中微子源：太阳（中微子在其核心的核火中产生）和超新星 1987A（一颗相对较近的爆炸恒星，它曾短暂地闪烁一次中微子，然后就消失了）。
宇宙中每个大型星系的中心都有一个超大质量黑洞，而且任何一个都可能处于活跃状态。 然而，尽管它们无处不在，但却很难观察到。 随着探测到来自至少一个，甚至可能是多个黑洞的中微子，天文学家为这些惊人的怪兽打开了一扇新的窗口。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。