这幅艺术家构想图展示了一个耀变体——由超大质量黑洞驱动的活动星系的核心。图片来源：M.WeissCfA

地中海地区一次前所未有的中微子探测突破了高能天体物理学的边界，引发了关于宇宙中最极端过程的新问题。

此前，科学家在地中海探测到了一颗超高能宇宙中微子，这是有记录以来能量最高的中微子。该发现引起了全球研究人员、媒体和公众的关注。人们对此兴趣浓厚的原因之一是这种粒子的起源仍然未知。它的能量比之前观测到的任何中微子都高出十倍以上。

KM3NeT合作组发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（JCAP）上的一项研究给出了一种可能的解释。该团队在西西里岛海岸附近运行KM3NeTARCA探测器，并指出这种粒子可能来自一类耀变体。耀变体是由超大质量黑洞驱动的活动星系核，会向地球喷射等离子体喷流。

寻找罪魁祸首

KM3NeTARCA是位于西西里岛附近的深海中微子探测器，目前仍在建设中。尽管如此，它已捕捉到一个异常信号。探测到的中微子能量约为220PeV（约35焦耳），远超此前测量到的任何高能中微子。这一发现令科学家们感到惊讶，并提出了一个关键问题：什么样的源能产生如此极端的粒子？

KM3NeTARCA探测器在地中海探测到的超高能中微子事件的可视化图像。彩色轨迹显示了次级粒子在水中穿行时产生的切伦科夫光，这些光被探测器的光学模块记录下来。来源：KM3NeT

为了进行调查，研究人员采用了类似法医分析的方法。他们从可能的解释入手，对这些情景进行了模拟，并将结果与实际数据进行了对比。

一个主要观点是中微子来自某种类型的耀变体。关于这种粒子的起源有几种可能的解释，意大利国家核物理研究所那不勒斯分部及KM3NeT合作项目的MeriemBendahman解释道，例如，有人提出这类中微子是超高能宇宙射线与宇宙微波背景辐射（早期宇宙残留的光）相互作用时产生的。但也存在另一种可能性，即中微子来自由一批极端加速器（如耀变体）产生的弥漫通量。

扩散源而非单一事件

Bendahman和她的同事发现了一些线索，表明中微子并非来自爆炸或耀斑等单一的剧烈事件。在这种情况下，科学家通常会寻找电磁对应体，即来自天空同一区域、同一时间的无线电、光学、X射线或伽马射线波长的信号。

这次事件中未检测到此类信号。这并未完全排除存在点状源的可能性，本达曼表示，但它让我们认为，我们探测到的中微子可能来自弥漫背景——也就是来自包含多个来源贡献的中微子流。

弥漫中微子通量随能量的变化。蓝色曲线显示了由一批耀变体产生的中微子的最佳拟合模型，并与KM3NeT和IceCube的测量结果进行了比较。来源：KM3NeT

为了验证这一想法，研究团队使用名为AM3的开源软件模拟了一批耀变体。他们的许多输入参数基于现有观测数据，例如磁场强度和发射区域的大小。

他们关注两个主要变量：重子负载（描述质子携带的能量与电子相比的多少）和质子谱指数（决定质子能量的分布方式）。这些因素会影响产生的中微子数量及其能量水平。

对于每种情况，研究人员既计算了预期的中微子通量，也计算了相关的伽马射线发射，然后将这些结果与实际观测数据进行了比较。

与冰立方和费米的交叉验证

这项研究的一个主要优势在于它使用了多个数据集。除了KM3NeTARCA的测量数据外，研究团队还分析了来自冰立方中微子天文台和费米伽马射线太空望远镜的数据。他们既考虑了探测到的结果，也考虑了未探测到的情况。

现有数据集（包括冰立方）中未发现类似的超高能中微子，这表明此类事件极为罕见。任何解释都必须对此作出说明，而耀变体模型做到了这一点。

研究人员还验证了耀变体的预测伽马射线输出未超过费米望远镜测量到的河外伽马射线背景。他们的模型仍符合这些限制条件。

本达曼解释道：我们用基于物理原理的参数对真实的耀变体种群进行了建模，发现这类耀变体种群可以解释这一超高能事件的起源，同时也符合我们对伽马射线和中微子观测结果的限制条件。

KM3NeT与中微子天文学的未来

耀变体解释很有前景，但还需要更多数据来证实。我们需要更多观测数据，本达曼说。KM3NeT仍在建设中，我们仅用部分配置就探测到了这颗超高能中微子。有了完整的探测器和更多数据，我们将能够进行更有力的统计分析，并为超高能中微子宇宙打开一扇新窗口。

在探测时，只有21条探测线处于激活状态，约为探测器计划规模的10%。

如果这一解释得到证实，将重塑我们对耀变体如何加速粒子的理解。我们此前从未观测到如此高能的中微子，如果它最终被证实来自耀变体这类宇宙加速器，本达曼总结道，将让我们对这些天体如何能以超出我们此前预期的能量发射粒子有新的认识。

10.108814757516202603033

相关知识

中微子是一种基本粒子，不带电荷，质量非常微小，几乎不与其他物质发生相互作用，因此穿透力极强，能轻松穿过地球。它主要产生于恒星内部的核反应、核反应堆等过程，对研究宇宙起源和粒子物理的基本规律具有重要意义。

BY: Sissa Medialab

FY: AI

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迄今探测到的最强中微子或有惊人宇宙来源