用宇宙中微子绘制的新宇宙地图

你可能不知道，每秒钟都有100万亿个巨大的中微子穿过你的身体。这些中微子的大部分来自太阳或地球的大气层。但有一些粒子的移动速度比其他粒子快得多，它们来自遥远而强大的源头。多年来，致力于研究恒星和太空现象的科学家一直在寻找这些特殊的“宇宙”中微子的来源。现在，冰立方中微子天文台已经成功收集到足够数量的这些粒子。这使得科学家们能够探测到揭示这些不易捉摸的宇宙粒子起源的独特模式。

在六月份发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究团队利用中微子展示了我们银河系的起始地图。通常，科学家们使用光子来描绘我们的星系，光子是光的粒子。这张新地图展示了来自银河系各个角落的宇宙中微子的薄雾。然而，令人奇怪的是，没有任何具体的来源能够被确认。这些发现是基于去年秋天发表在《科学》杂志上的冰立方早期研究，该研究首次将宇宙中微子与单一来源联系在一起。研究表明，天文台捕获的宇宙中微子中有很大一部分来自一个被称为NGC1068的“活跃”星系的核心。在该星系的辐射中心，物质向核心旋入一个超大质量黑洞，这个过程以某种方式产生了宇宙中微子。

杜克大学的中微子物理学家KateScholberg认为他们成功地确定了一个星系。这正是整个中微子天文学家群体一直以来的追求。识别宇宙中微子的来源为科学家们提供了一个新的机会，可以利用这些粒子来探索基础物理的奥秘。已经有证据表明，中微子可能会挑战现有的粒子物理学标准模型，并且被用来测试引力量子解释的理论。

然而，确定这些宇宙中微子中至少一部分的来源只是一个开始。我们对于某些超大质量黑洞周围剧烈活动如何产生这些粒子的了解仍然非常有限。目前的迹象表明可能涉及各种过程或条件。虽然中微子的数量很丰富，但当它们穿过地球时，通常不会留下任何痕迹。为了能够探测到足够多的中微子并且确定它们的到达方向模式，科学家们不得不建造一个巨大的探测器。冰立方是在12年前建立的，它由一系列延伸数公里的探测器组成，深入南极的冰层中。每年，冰立方可以捕捉到大约十几个能量极高的宇宙中微子，这使得它们在大气和太阳中微子的背景下清晰可见。通过进行高级分析，科学家们可以对数据进行筛选，从其他观测信号中识别出额外的潜在宇宙中微子。

天体物理学家们知道，只有当被称为宇宙射线的高速原子核撞击太空中的特定物质时，这些超级中微子才会形成。宇宙中很少有区域的磁场足够强大，可以将宇宙射线加速到如此高能量。科学家们曾经认为伽马射线暴可能是最有可能的来源之一。伽马射线暴是在某些恒星爆炸或中子星碰撞时发生的非常明亮的爆发现象。另一个主要的竞争者是活动星系核（AGN），这些星系的核心拥有超大质量黑洞。当物质被引力拉向黑洞时，它们会释放出粒子和辐射。

参与其中的人包括JainaGrey、ReeceRogers、JustinPot和ChrisBaraniuk。2012年，天体物理学家们发现伽马射线爆发理论存在问题，因为根据这一理论，我们应该在观测宇宙中微子时看到比实际观测到的更多微子。然而，这个矛盾一直没有解决。直到2016年，冰立方开始每次发现宇宙中微子时发出警报，激励其他天文学家将望远镜对准中微子的来源。到了2017年9月，他们初步将一个宇宙中微子与一个活跃星系（被简称为TXS）联系在一起，这个星系同时发射x射线和伽马射线。

科学家们不断收集更多的宇宙中微子数据，他们开始注意到天空中的一个特定区域，这个区域的中心是一个活跃的星系NGC1068。最近IceCube的研究表明，这两者之间可能存在因果关系。作为研究的一部分，IceCube的科研人员对他们的望远镜进行微调，并利用人工智能技术更好地理解如何检测来自天空各个部分的信号。他们的发现表明，从NGC1068方向来的中微子丰度不可能只是随机的波动，这种可能性不到十万分之一。

TXS作为宇宙中微子的来源正逐渐被确定。在九月份，冰立方记录到了一颗中微子，可能来自于TXS附近，但尚未进行详细分析。有趣的是，这两个活跃星系核（AGN）似乎是天空中最明亮的中微子来源。然而，它们却带来了一个难题:它们之间明显存在差异。TXS属于一种被称为blazar的AGN，它会直接向地球发射高能辐射喷流。然而，从NGC1068这个星系中，我们并没有观察到这样指向我们的喷流。这表明，活跃星系核心内可能存在不同的机制来产生宇宙中微子。

Halzen提出了一个假设，即这些中微子可能来自银河系早期活动阶段产生的宇宙射线。造成这些宇宙射线的粒子加速器可能在数百万年前就已经开始运行了。在新的天空观测中，引人注目的是NGC1068和TXS等源的亮度。我们的银河系中有许多附近的恒星和热气体，当使用光子进行观测时，它看起来比其他所有星系都要亮。然而，当在中微子中进行观测时，令人惊讶的是，我们几乎无法探测到我们自己的星系。

除了解决银河系的谜题外，科学家们的目标是利用更遥远的光源来深入研究暗物质、量子引力和中微子的新理论。中微子提供了独特的见解，揭示了超越50年前标准模型框架的更全面粒子理论的需要。标准模型理论很好地解释了基本粒子和相互作用力，但在中微子方面存在一些困扰:它声称中微子是无质量的，但这并不完全准确。

1998年，物理学家们发现中微子具有能力在三种不同类型之间转换。例如，来自太阳的电子中微子在到达地球时可以转变为μ介子中微子。这种转变表明中微子必须具有质量，只有当每种类型的中微子都是三种不同但非常小质量的混合体时，这种形态变化才会发生。多年来，粒子物理学的许多实验帮助科学家们逐渐理解中微子是如何振荡的，无论是来自太阳、地球大气层还是实验室产生的中微子。然而，宇宙中微子源自活动星系核（AGN），它们为这些粒子在更大距离和能量上的振荡行为提供了独特的观察视角。正如哈佛大学的中微子物理学家CarlosArgüellesDelgado所说，这使得宇宙中微子成为“探索标准模型以外物理现象的一个非常敏感的工具”。

宇宙中微子的来源非常遥远，这导致我们对中微子振荡的观测变得模糊不清。科学家们预计，无论我们在哪里观测，都会观测到三种中微子的比例是一致的。任何偏离这些比例的情况可能意味着我们需要重新考虑解释中微子振荡的模型。另外，我们可以设想，在宇宙中微子的旅程中，它们可能与暗物质发生相互作用。几个暗扇区模型提出了这样的观点，认为宇宙中存在着各种类型的非发光粒子，即暗物质。如果中微子与这些暗物质粒子相互作用，它们可能会以特定的能级散射中微子，导致我们在探测宇宙中微子时出现光谱缺口。

有人认为，时空本身的量子性质可能会对中微子产生阻力，从而使它们减速。最近，一支意大利团队在《自然天文学》杂志上提出了这个观点，他们通过冰立方的数据暗示了这种现象。然而，其他物理学家对这个说法表示怀疑。尽管这些影响非常微弱，但由于星系之间的巨大距离，这些影响可能被放大到我们可以检测到的水平。另一方面，ArgüellesDelgado和他的团队利用宇宙中微子的普遍存在（与特定来源如NGC1068不同）来寻找时空量子结构的痕迹。在他们今年10月份发表在《自然物理学》上的报告中，他们并未发现任何证据，但他们的研究在区分第三种中微子τ和冰立方探测器内的电子中微子方面面临挑战。目前，研究人员正在努力完善区分这两种中微子的方法。

Katori强调，准确确定宇宙中微子的具体来源和机制将显著提高对这些新物理探索的准确性。每种中微子的精确比例取决于假设的来源模型。令人感兴趣的是，一些领先的模型预测这三种中微子会等量地到达地球。然而，对宇宙中微子的了解仍然相对模糊。因此，观察到的这些中微子类型比例的任何偏差都可能被误解。这可能意味着量子引力、暗物质、中微子振荡模型中的缺陷，或者只是宇宙中微子产生的复杂性质。然而，根据ArgüellesDelgado的说法，某些比率可以作为新物理学的一个独特标志。

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