在太空中，能量丰富的中微子通常与能量丰富的伽玛射线成对出现。然而，NGC 1068星系则发出强烈的中微子和微弱的伽玛射线，这为科学家们提出了一个难题。一篇新的论文假设，氦核与由该星系中央区域发出的紫外光子发生碰撞并碎裂，释放出中子，这些中子随后衰变成中微子而不产生伽玛射线。该发现提供了对NGC 1068等星系中心超大黑洞周围极端环境的深入洞察，并增强了我们对辐射与基本粒子之间关系的理解，这可能导致我们尚未想象的技术进步。
在太空中，能量丰富的中微子通常与能量丰富的伽玛射线成对出现。然而，NGC 1068星系则发出强烈的中微子和微弱的伽玛射线，这为科学家们提出了一个难题。一篇新的论文假设，氦核与由该星系中央区域发出的紫外光子发生碰撞并碎裂，释放出中子，这些中子随后衰变成中微子而不产生伽玛射线。
该发现提供了对NGC 1068等星系中心超大黑洞周围极端环境的深入洞察，并增强了我们对辐射与基本粒子之间关系的理解，这可能导致我们尚未想象的技术进步。
埋藏在南极冰层深处的“眼睛”可以观察到被称为中微子的基本粒子，它们观察到的现象让科学家们感到困惑：NGC 1068星系中伴随微弱伽玛射线发射的异常强烈中微子信号，这也被称为鱿鱼星系。
这些“眼睛”是一种探测器的集合，埋藏在一立方公里的冰中，称为冰立方中微子天文台。来自加州大学洛杉矶分校、大阪大学和东京大学Kavli宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU, WPI）的理论物理学家，正利用他们对NGC 1068的观察提出一种全新的中微子产生途径。
中微子是与重力相互作用极其微弱的亚原子粒子，可以穿透物质。这使得它们比其他粒子（如电子）更难以探测。冰立方中微子天文台由5160个传感器组成，埋藏在清澈、压实的南极冰中，寻找中微子穿过冰层并与之相互作用、产生带电粒子的事件。
“我们有望远镜用光来观察星星，但许多这样的天体物理系统也会发射中微子，”加州大学洛杉矶分校物理和天文学教授、Kavli IPMU高级研究员亚历山大·库森科（Alexander Kusenko）说。“要看到中微子，我们需要一种不同类型的望远镜，而这就是我们在南极所拥有的望远镜。”
冰立方中微子望远镜探测到了来自NGC 1068的非常能量丰富的中微子，伴随微弱的伽玛射线通量，这暗示这些中微子可能以与以前认为的不同的方式产生。NGC 1068的数据令人困惑，因为通常认为活跃星系中心的能量丰富中微子来自质子与光子的相互作用，产生相当强度的伽玛射线。因此，能量丰富的中微子通常与能量丰富的伽玛射线成对出现。
NGC 1068的伽玛射线发射显著低于预期，并显示出明显不同的光谱形状。传统模型，包括基于质子-光子碰撞和来自星系的热等离子体区域（称为“日冕”）的发射，已广泛用于解释这些中微子信号，但它们面临理论限制，因此寻求新的解释。
在一篇发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的新论文中，库森科及其同事建议，来自NGC 1068的高能中微子主要是氦核在强紫外辐射下分裂时中子衰变的结果。当这些氦核与由星系中央区域发出的紫外光子碰撞时，它们会碎裂，释放出中子，这些中子随后衰变成中微子。所得中微子的能量与观察结果相符。
此外，由这些核衰变生成的电子与周围的辐射场相互作用，产生与观察到的较低强度相一致的伽玛射线。这个情景优雅地解释了为什么中微子信号远远强于伽玛射线发射，并说明了在中微子和伽玛射线中观察到的不同能量光谱。
这一突破帮助科学家理解活跃星系中的宇宙喷流如何能够在没有相应伽玛射线光辉的情况下发出强大的中微子，为超大黑洞周围极端、复杂的条件揭示了新的视角，包括我们自己的星系中心的超大黑洞。
“我们对NGC 1068银河中心附近的极端区域知之甚少，”库森科表示。“如果我们的情景被证实，这将告诉我们关于该星系中心超大黑洞环境的某些信息。”
新论文提出，如果氦核在超大黑洞的喷流中加速，它会与光子碰撞并破裂，将其两个质子和两个中子洒向太空。质子可以飞走，但中子是不稳定的，会衰变成中微子，而不产生伽玛射线。
“氢和氦是太空中最常见的两种元素，”第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士生安田宏一郎（Koichiro Yasuda）表示。“但氢只有一个质子，如果这个质子遇到光子，会同时产生中微子和强伽玛射线。然而，中子有额外的方式形成不产生伽玛射线的中微子。因此，氦是我们从NGC 1068观察到的中微子的最可能来源。”
这项工作揭示了隐藏的天体物理中微子源的存在，其信号可能因伽玛射线签名微弱而被忽视。
“这个想法提供了超越传统日冕模型的新视角。NGC 1068只是宇宙中许多类似星系之一，未来从它们的中微子探测将有助于验证我们的理论，并揭示这些神秘粒子的起源，”合著者、大阪大学天体物理学教授井上义之（Yoshiyuki Inoue）表示。
与NGC 1068一样，我们的银河系中心也有一个超大黑洞，其无法想象的巨大重力和能量字面意思地撕裂原子，而中微子的发现对于我们的银河系同样重要。尽管从理解银河中心到改善人类福祉并不必然是直线，但通过对中微子等粒子和伽玛射线等辐射的研究所获得的知识，往往会引导技术走上意想不到和变革的道路。
“当J.J.汤普森因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖时，他在仪式后的晚宴上曾著名地提到这可能是历史上最无用的发现，”库森科说。“当然，今天的每一部智能手机、每一件电子设备都使用汤普森近125年前的发现。”
库森科还表示，粒子物理学催生了万维网，最初是由需要在实验室之间传输大量数据的物理学家开发的网络。他指出，核磁共振的发现当时似乎很晦涩，但导致了磁共振成像技术的发展，这现在在医学中被广泛使用。
“我们处于中微子天文学新领域的开端，而来自NGC 1068的神秘中微子是我们必须解决的难题之一，”库森科说。“对科学的投资将产生您现在可能无法理解的成果，但几十年后可能会带来重大的变化。这是一项长期投资，私人公司不愿投资我们正在进行的研究。这就是为什么政府对科学的资助如此重要，也就是大学如此重要的原因。”
该研究得到了能源部、世界顶尖国际研究中心倡议（WPI）和日本学术促进会的资助。
