南极IceCube发现鲸鱼座中微子集中区，或源自活跃黑洞
南极IceCube发现鲸鱼座中微子集中区，或源自活跃黑洞
2024年，南极的IceCube中微子观测站绘制出中微子天空图，发现了一个中微子集中区。这个地点属于鲸鱼座，包含许多遥远星系，其中唯一可能生成中微子的天体是M77，也叫NGC 1068，是一个相距4700万光年的棒旋星系。一个普通星系不会产生如此多中微子，但M77并非普通，它的核心隐藏着一个巨大的干扰源。和多数星系一样，M77的核心有一个超大质量黑洞，质量约为1000万个太阳质量。但与大多数星系不同，其超大质量黑洞目前处于活跃状态。
IceCube：捕捉“幽灵粒子”的巨型探测器
中微子是一种神秘的基本粒子，因其极弱的相互作用和难以捉摸的特性而被称为“幽灵粒子”。它们不带电荷，质量远小于电子，常以接近光速的速度移动。中微子仅通过弱核力和引力相互作用，这使得它们的检测异常困难。举例来说，如果想用铅墙拦截低能中微子，墙的厚度需达到一光年。这表明中微子天文学的挑战之大：中微子与探测器的相互作用概率极其微小，多数中微子直接穿过探测设备。
为了捕捉到这些中微子，我们需要巨大的探测器，其中之一是南极的IceCube中微子观测站，面积为一立方公里的冰。中微子穿过冰层时，极少数会通过弱作用力与水分子相互作用。高能中微子与原子核相互作用，使其转化为高质量轻子——电子、μ子或τ子。
当中微子转化为τ粒子时，它几乎立即衰变。但电子或μ子能继续在冰中前进，并且与其他带电粒子作用时会发出光，看起来像蓝色光锥在尾随粒子。这是切伦科夫辐射，是我们检测中微子的一种方法。探测仪器是灵敏的光电倍增管，悬挂于深钻孔中，IceCube的5000多个光电倍增管形成的网格覆盖了立方公里的冰。
如此，IceCube可以通过检测中微子产生电子和μ子的切伦科夫辐射。然而μ子特别有用，因为电子在水中强烈相互作用，立即反弹形成气泡，而μ子则能不改变路线的移动数公里，使其辐射锥体沿原中微子路径拉出直线。通过这一方式，我们就能追踪中微子来源。如果中微子足够丰富，甚至可以构建模糊的图像。
M77星系：4700万光年外的“中微子工厂”
M77星系，也被称为NGC 1068，是一个距离地球4700万光年的棒旋星系。与普通星系不同，M77的核心隐藏着一个巨大的干扰源——一个质量约为1000万个太阳质量的超大质量黑洞。这个黑洞目前处于活跃状态，不断吞噬周围的物质，产生高能粒子和辐射。
M77具备一个活动星系核。最强大的活动星系核，例如类星体，能发出耀眼光辉遍及宇宙。尽管M77的辐射没有那么强，但其核心被一圈尘埃和气体所遮蔽，使得M77成为了中微子来源的主要候选者之一。
中微子与黑洞活动：揭秘宇宙高能现象
活跃的黑洞是宇宙中最极端的物理环境之一，它们产生的高能粒子和辐射可以穿越宇宙空间，抵达地球。中微子作为这些高能过程的副产品，携带着关于黑洞活动的重要信息。通过研究中微子，科学家可以深入了解黑洞的物理过程，以及宇宙中其他极端天体的性质。
深入研究中微子与超大质量黑洞的关系有望揭示更多关于宇宙的信息。这包括由超新星爆炸、碰撞中子星及恒星被黑洞撕裂的潮汐破坏事件等高能环境产生的中微子。为此，我们需要更大且更灵敏的中微子观测站。目前的计划包括提升IceCube的灵敏度，并将其扩展到10立方公里，这将令探测率提高约十倍。
随着技术的进步和观测能力的提升，中微子天文学正逐渐揭开宇宙中最神秘现象的面纱。M77星系的中微子之谜只是冰山一角，未来的研究有望带来更多令人惊叹的发现。