宇宙“幽灵粒子”来源之谜或破解，MIT科学家提出最新解释

中微子常被称为“幽灵粒子”，因为它们几乎不与物质发生作用，既无形又无影，却是宇宙中数量最多的粒子类型。日前，科学家观测到一个前所未有的超高能中微子，但其能量来源仍是谜团。

麻省理工学院（MIT）的一项最新研究提出：迄今观测到的能量最高的“幽灵粒子”（中微子），可能源自一个正在爆炸的原初黑洞。所谓原初黑洞（Primordial Black Holes，PBHs），是宇宙大爆炸后最初瞬间形成的微观黑洞，被认为可能构成了宇宙中大部分乃至全部的暗物质。相关论文已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

与普通黑洞类似，PBHs 会通过“霍金辐射”不断泄露能量并逐渐蒸发直至消失。霍金辐射由物理学家史蒂芬·霍金提出：黑洞越小，温度越高，辐射的粒子能量就越高。随着蒸发加速，最终会引发一次极其剧烈的爆炸，释放出能量最高的粒子。

MIT 研究团队计算，如果暗物质主要由 PBHs 构成，那么在银河系中应当存在一小部分 PBHs 正处于“生命的最后时刻”，不断爆炸。理论上，这些爆炸有可能在太阳系附近发生，喷射出高能粒子，其中包括中微子，并被地球探测器捕获。

若这一假设成立，这次中微子探测将可能成为人类首次观测到霍金辐射。这不仅为原初黑洞的存在提供证据，也可能揭示暗物质的真实面貌——这一占宇宙物质总量 85% 的神秘成分，至今未被直接探明。

研究第一作者、MIT 物理系博士生 Alexandra Klipfel 表示：“我们的计算表明，一切都有可能对得上：如果暗物质主要由原初黑洞构成，那么它们爆炸就能产生这种超高能中微子。接下来，我们可以通过更多实验去验证。”

超高能中微子的发现

今年 2 月，地中海海底的立方公里中微子望远镜（KM3NeT）团队报告称，探测到史上能量最高的一颗中微子，其能量超过 100 拍电子伏特（PeV）。相比之下，人类现有的粒子加速器远无法达到如此能量。

类似的高能中微子，此前也曾被南极冰下的“冰立方中微子天文台”（IceCube）捕捉过数次。但这些粒子来源一直难以解释。更棘手的是，如果按 IceCube 估算的发生率，KM3NeT 观测到的这次“超高能事件”几乎不可能出现。这种矛盾被科学界称为观测数据间的“张力”。

Klipfel 与 MIT 物理学教授 David Kaiser 因此前正在研究原初黑洞，便提出了一个大胆设想：是否可能是某个 PBH 爆炸，同时解释了 IceCube 的几次观测以及 KM3NeT 的极端事件？如果成立，这不仅意味着中微子的来源被找到，更可能意味着我们首次见到了霍金辐射的“遗迹”。

理论推演

研究团队首先计算了黑洞在爆炸前应释放多少粒子。大质量黑洞温度极低，辐射的粒子能量极低，几乎不可探测。但微小的 PBHs 则截然不同：在其最终蒸发的纳秒内，当其体积缩小到原子以下时，会释放出数量级高达10²⁰ 个中微子，能量约为 100 PeV，正好与 KM3NeT 的观测吻合。

进一步计算表明，如果银河系中暗物质主要由 PBHs 组成，那么在我们所在的区域，每年每立方秒差距内（1 秒差距约等于 3 光年）应当有约 1000 个 PBHs 爆炸。

为了让地球探测到这种中微子，爆炸需发生在距太阳系不远的地方——约为地日距离的 2000 倍。团队估算，这种事件在 14 年里出现一次的概率为 8%。虽然不算高，但已足够让科学家们认真对待，尤其在缺乏其他合理解释的情况下。

Kaiser 表示：“8% 并非很高，但它足以让我们把这种可能性纳入考虑。毕竟，目前还没有任何其他模型能同时解释这些超高能中微子事件。”

这项理论目前还需要更多观测数据来验证。科学家们需要探测到更多类似的“疯狂高能”中微子，以积累统计学证据。如果能够确认，就意味着人类首次直接捕捉到霍金辐射的迹象，这将是对黑洞物理基本理论的重大验证。

此外，如果同时能通过其他手段探测到附近的 PBHs，也将进一步支持“暗物质主要由原初黑洞构成”的假说。

Kaiser 总结道：“这可能是我们观测霍金辐射的最佳机会。一旦得到验证，不仅能解释中微子事件，也将揭开暗物质之谜的一角。这无疑是一个令人振奋的前景。”

本研究获得了美国国家科学基金会（NSF）、MIT 理论物理中心与美国能源部的资助。

1.https://news.mit.edu/2025/could-primordial-black-holes-last-burst-explain-mysteriously-energetic-neutrino-0918