南極冰立方中微子天文臺(tái)探測到的中微子事件IceCube 170922A，似乎起源于遙遠(yuǎn)的活動(dòng)星系TXS 0506+056，距離地球?yàn)?8億光年。TXS0506+056是眾多活動(dòng)星系中的一個(gè)，為什么以及如何只有這個(gè)特定的星系產(chǎn)生中微子，至今仍是一個(gè)謎。

由馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)射電天文學(xué)研究所的Silke Britzen領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)國際研究小組，研究了2009年至2018年中微子事件前后源的高分辨率無線電觀測。該小組提出，早期中微子耀斑期間增強(qiáng)的中微子活動(dòng)和單個(gè)中微子可能是由TXS0506+056內(nèi)的宇宙碰撞產(chǎn)生。

噴流物質(zhì)在超大質(zhì)量黑洞附近的碰撞似乎產(chǎn)生了中微子。其研究結(jié)果于2019年10月2日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上。2018年7月12日，冰立方合作組織宣布檢測到第一個(gè)高能中微子，IceCube-170922A，它可以追溯到遙遠(yuǎn)的宇宙起源。雖然中微子的宇宙起源被懷疑已有相當(dāng)一段時(shí)間，但這是第一個(gè)可以確認(rèn)其來源來自外層空間的中微子。這個(gè)中微子的“家”是一個(gè)活動(dòng)星系核(AGN)，即一個(gè)以超大質(zhì)量黑洞為中心引擎的星系。一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以證明中微子的產(chǎn)生機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了一種相當(dāng)于地球上對撞機(jī)的東西：噴射物質(zhì)的宇宙碰撞。

活動(dòng)星系核是宇宙中最有能量的物體之一，在超大質(zhì)量黑洞的推動(dòng)下，物質(zhì)正在被吸積，等離子體(所謂的噴流)被發(fā)射到星系間的空間。BL Lac天體形成了一類特殊的活動(dòng)星系核，其中噴流直接指向我們并主導(dǎo)觀察到的輻射。中微子事件IceCube-170922A似乎起源于BL Lac天體TXS0506+056，這是一個(gè)紅移為z=0.34的星系，對應(yīng)于38億光年的光傳播距離。IceCube協(xié)作對冰立方檔案數(shù)據(jù)的分析揭示了2014年9月至2015年3月較早時(shí)候中微子活性增強(qiáng)的證據(jù)。其他BL Lac對象顯示的屬性與TXS0506+056屬性非常相似。

主要作者、馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)射電天文學(xué)研究所(MPIfR)的Silke Britzen解釋道：這有點(diǎn)神秘，然而，為什么只有TXS 0506+056被確定為中微子發(fā)射器?？茖W(xué)家想要解開TXS0506+056的特殊之處，了解中微子的產(chǎn)生過程和定位發(fā)射地點(diǎn)，并研究了一系列高分辨率的噴射流無線電圖像。令人大吃一驚的是，研究人員發(fā)現(xiàn)TXS0506+056中的噴射物質(zhì)之間存在著意想不到的相互作用。雖然通常假設(shè)噴射等離子體在一種通道中不受干擾地流動(dòng)，但在TXS0506+056中情況似乎有所不同。

該研究小組提出，2014-2015年中微子耀斑期間增強(qiáng)的中微子活動(dòng)和單個(gè)EHE中微子，IceCube-170922A可能是由源中的宇宙碰撞產(chǎn)生。這種宇宙碰撞可以用新的噴射物撞擊舊噴射物來解釋。強(qiáng)彎曲射流結(jié)構(gòu)為這種情況提供了適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。另一種解釋涉及同一來源的兩個(gè)噴射流碰撞。在這兩種情況下，都是噴射物質(zhì)的碰撞產(chǎn)生中微子。這種噴射物質(zhì)的碰撞是目前唯一可行機(jī)制，可以解釋來自這個(gè)來源的中微子檢測。同時(shí)還為我們提供了對噴射物質(zhì)的重要洞察力，并解決了一個(gè)長期存在的問題：

噴射是由電子和正電子組成的輕子，還是由電子和質(zhì)子組成的強(qiáng)子；還是兩者的組合。至少部分噴射物質(zhì)必須是強(qiáng)子，否則就不會(huì)檢測到中微子。在宇宙演化過程中，星系碰撞似乎是一種頻繁的現(xiàn)象。假設(shè)兩個(gè)星系都包含中心超大質(zhì)量黑洞，星系碰撞可能導(dǎo)致中心形成黑洞對。這對黑洞可能最終合并產(chǎn)生超大質(zhì)量的黑洞合并，就像LIGO/Virgo合作在引力波中檢測到的那樣。多年來，人們一直在研究具有小間隔僅為光年的雙黑洞活動(dòng)星系核(AGN)，然而，它們似乎很少見，而且很難識(shí)別。

除了噴射物質(zhì)的碰撞，研究小組還發(fā)現(xiàn)了TXS0506+056中心噴流進(jìn)動(dòng)的證據(jù)。根據(jù)華沙理論物理中心的Michal Zaja?ek所說：這種進(jìn)動(dòng)一般可以用超大質(zhì)量黑洞雙星的存在或愛因斯坦廣義相對論預(yù)測的倫斯-瑟林進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來解釋。后者也可能由中心第二個(gè)更遠(yuǎn)的黑洞觸發(fā)。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致噴流方向的漂移，研究也觀察到了這一點(diǎn)。海德堡馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所的克里斯蒂安·芬特感到驚訝：我們對噴射源的觀察越近，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和噴流動(dòng)力學(xué)就越復(fù)雜。

雖然雙星黑洞產(chǎn)生了更復(fù)雜的流出結(jié)構(gòu)，但從星系合并形成星系的宇宙學(xué)模型中自然可以預(yù)料到它們的存在。Silke Britzen強(qiáng)調(diào)了這些發(fā)現(xiàn)的科學(xué)潛力：通過研究射流內(nèi)部來了解中微子產(chǎn)生是非常棒的，如果我們的分析提供了具有兩個(gè)射流雙黑洞噴射源的另一個(gè)候選者，這將是一個(gè)突破這似乎是首次報(bào)道兩個(gè)噴射流在幾光年尺度上可能發(fā)生的碰撞，而且中微子的檢測可能追溯到宇宙噴射流的碰撞。雖然TXS 0506+056可能不能代表BL Lac天體的類別，但這個(gè)源可以為噴射物質(zhì)的重復(fù)相互作用和中微子產(chǎn)生提供適當(dāng)機(jī)制。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201935422

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)哦