离破解百年宇宙线之谜更进一步

百年谜题：宇宙线的起源

宇宙线是一种来自外太空的高能带电粒子，它们的能量可高达 10² eV，远高于用地球上最强大的粒子加速器（即大型强子对撞机，LHC）所能达到的能量。这些粒子以接近光速的速度在宇宙中传播，不断地轰击着地球。

一百多年来，天体物理学家都试图了解这些来自外太空的高能粒子的性质和起源，并想要知道究竟是什么样的强大力量在推动着它们。但由于宇宙线是带电粒子，所以它们在传播途中会受到星系磁场的影响从而发生偏转，这就使得追踪宇宙线的真正起源变得极其棘手。

幸运的是，在宇宙线的诞生地实际上还会产生其他粒子，其中包括伽马射线与中微子。与伽马射线不同，天体物理中微子完全是在涉及宇宙线加速的过程中产生的。此外，由于中微子还具有电中性的特点，因此它们可以不受电磁力的影响，所以天体物理中微子可被用作为寻找宇宙线源的独特工具。

作为宇宙中的基本粒子之一，中微子就像是幽灵一般，非常难以捉摸。它们的质量非常微小，几乎不与任何物质相互作用。它们可以轻易地穿过地球，而不留下痕迹，因此探测中微子也是一件非常具有挑战性的事。尽管迄今为止，科学家已经收集了大量的观测数据，但高能的天体物理中微子与产生它们的天体物理源之间的联系，仍是一个悬而未决的问题。

聚焦耀变体

在高能中微子的候选来源中，耀变体是一类广受关注的天体。

耀变体是一类 " 活动星系核 "（AGN），由位于其宿主星系中心的超大质量黑洞驱动。AGN 的一个标志性几何特征是，从快速旋转的黑洞的两极会发射出的相对论喷流，而耀变体指的就是喷流恰好指向的是地球的 AGN。

深埋在南极冰层中的冰立方中微子天文台（IceCube）是目前运行中的最灵敏的中微子探测器。2017 年，IceCube 测到了一个中微子，科学家追踪到，它来自耀变体 TXS 0506+056。

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耀变体将中微子和宇宙射线引向地球的艺术沟详图。（图 /IceCube / NASA）

这篇发表在《科学》杂志上的论文一经发表，就引发了一场关于耀变体是否就是宇宙线的加速器的争论。

前所未有的证据

现在，一项新的多信使研究让我们距离揭开这个谜团又近了一步。一个国际物理学家团队在《天体物理学期刊快报》杂志上发表了一篇论文，报告了他们以前所未有的置信水平，证明了耀变体是天体物理中微子的起源。

2017 年，研究人员利用 IceCube 收集的中微子数据，以及一份被确定为耀变体的天体目录，发现了强有力的证据，表明观测到的高能中微子源自于耀变体的一个子集。当时，这一结论是巧合的概率不到百万分之一。

在新的研究工作中，研究人员突破了以往搜索的局限性。他们通过使用 IceCube 在 2008 到 2015 年间收集到的中微子数据，将 2017 年的发现变成了无可争议的证据。新的统计分析提供了观测证据，让研究人员以前所未有的置信水平明确地证明，高能天体物理中微子与耀变体有关，耀变体就是天体物理中微子的 " 工厂 "，也是银河系外的宇宙射线加速器。

多信使天文学的未来

发现这些高能中微子的 " 工厂 " 是天体物理学的一个重要里程碑。它使我们在揭示宇宙线起源的百年之谜上向前迈出了一步。接下来，研究人员将研究这些耀变体，以了解是什么让它们成为如此优异的宇宙线加速器的。此外，目前的统计分析只集中在了 IceCube 的最有希望的那部分中微子数据集上。研究人员认为，更进一步的精密分析或许还将带来更多的发现。

这项研究体现了多信使天文学的重要性。几千年来，天文学家和天体物理学家依靠光来研究宇宙。但现在，除了光之外，他们还可以探测到其他 " 信使 "，如宇宙线、中微子和引力波。这就像是触觉、听觉和视觉同时在发挥作用，帮助我们更好地探索世界。在天体物理学中也是如此，从不同信使的多次探测中得到的洞见，要比只从光中得到的要详细得多。