2022-11-18 05:46

探测到“幽灵”粒子从一个巨大黑洞的星系邻居散发出来

冰立方实验室坐落在南极一个由10亿吨传感设备和冰组成的网络上。利用强大的中微子望远镜,研究人员发现了来自NGC 1068星系的天体物理中微子的新来源。图片来源:Martin Wolf, IceCube/NSF

地球上,每秒有数万亿被称为中微子的亚原子粒子流过我们的身体,但我们从未注意到,因为它们很少与物质相互作用。事实上,因为中微子很少与其他物质相互作用,所以它们可以在遥远的距离上无阻碍地直线运动,携带着它们宇宙起源的信息。

尽管在地球上探测到的这些被恰如其分地命名为“幽灵”的粒子大多来自太阳或我们自己的大气层,但有些中微子来自遥远的宇宙,远在我们的星系之外。这些中微子被称为天体物理中微子,可以为研究宇宙中一些最强大的物体提供有价值的见解。

一个国际科学家团队首次发现了来自鲸座NGC 1068星系的高能天体物理中微子的证据。

这一发现是由冰立方中微子天文台完成的。这个10亿吨的中微子望远镜是由科学仪器和冰组成的,冰位于南极地表以下1.5-2.5公里(0.9 - 1.2英里)处。美国国家科学基金会(NSF)为冰立方中微子天文台提供了主要资金,威斯康星大学麦迪逊分校是负责探测器维护和运行的领导机构。

这些新结果发表在本月的《科学》(Science)杂志上,并在威斯康星发现研究所(Wisconsin Institute for Discovery)的一场演讲中分享。

“一个中微子可以选出一个源。但只有对多个中微子的观测才能揭示出能量最大的宇宙物体的模糊核心,”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方项目的首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说。“冰立方已经从NGC 1068中积累了大约80个太电子伏能量的中微子,这还不足以回答我们所有的问题,但它们肯定是实现中微子天文学的下一大步。”

冰立方由国际冰立方合作组织(IceCube Collaboration)运营,该组织由来自世界各地58个机构的350多名科学家组成。威斯康星大学麦迪逊分校的研究中心威斯康星冰立方粒子天体物理中心(WIPAC)是冰立方项目的领导机构。

WIPAC负责冰立方中微子天文台的维护和运行,包括确保探测器全天候运行。该天文台通过被称为切伦科夫光的微小蓝光来探测中微子,这种蓝光是中微子与冰中的分子相互作用时产生的。

螺旋星系NGC 1068距离我们47光年,是我们银河系相对较近的邻居。图片来源:NASA / ESA / A. van der Hoeven

在WIPAC,一个由科学家、技术和支持人员组成的多样化团队使数据科学做好了准备,使冰立方的科学家能够进行广泛的调查。WIPAC团队发布了冰立方前十年数据的新版本,其中使用了显著改进的探测器校准。这一优越的数据集有助于确定NGC 1068为中微子源。

“几年前,NSF启动了一个雄心勃勃的项目,通过将光学和射电天文学的现有能力与探测和测量中微子和引力波等现象的新能力相结合,来扩展我们对宇宙的理解,”NSF物理部主任丹尼斯·考德威尔(Denise Caldwell)说。“冰立方中微子天文台发现一个邻近星系是中微子的宇宙源,这只是这个新的和令人兴奋的领域的开始,有望洞察尚未发现的大质量黑洞的力量和宇宙的其他基本属性。”

NGC 1068星系,也被称为梅西耶77,是迄今为止最熟悉和研究最多的星系之一。这个星系距离我们4700万光年远,用天文术语来说很近,用一副大望远镜就能观测到。

这段视频展示了冰立方的中微子如何让我们第一次看到活跃星系NGC 1068的内部深处。图片来源:视频由Diogo da Cruz制作,声音由Fallon Mayanja制作,声音由Georgia Kaw制作

和我们的母星系银河系一样,NGC 1068是一个棒螺旋星系,有松散的旋臂和一个相对较小的中央凸起。然而,与银河系不同的是,NGC 1068是一个活跃的星系,其中大部分辐射不是由恒星产生的,而是由落入黑洞的物质产生的,该黑洞的质量是我们太阳的数百万倍,甚至比银河系中心的不活跃黑洞还要大。

从NGC 1068方向检测到的大约80个中微子是在改进分析技术和重新处理数据后发现的——这项工作由WIPAC的冰立方研究人员领导。在IceCube中发现的中微子相互作用是使用新的计算技术建模的,该技术可以更好地测量每个中微子的入射方向,以及机器学习,以更准确地测量中微子能量。

乔治亚理工学院物理学教授、冰立方合作项目发言人伊格纳西奥·塔伯达表示,这一最新结果是对2020年发表的NGC 1068先前研究的重大改进。

Taboada说:“这种改进部分来自于增强的技术,部分来自于探测器校准的仔细更新。”“探测器操作和校准团队的工作使更好的中微子定向重建能够精确定位NGC 1068,并实现这一观测。”

UW-Madison的物理学教授Albrecht Karle正在领导升级目前的冰立方天文台,他说NGC 1068的探测对中微子天文学的未来是“伟大的消息”。

“这意味着,随着新一代更灵敏的探测器的出现,将有更多的东西有待发现,”卡勒说。他还领导了下一代中微子天文台的开发,该天文台将作为现有南极设施的延伸和技术升级。

“未来的第二代冰立方- gen2天文台不仅可以探测到更多这种极端粒子加速器,而且还可以在更高的能量下研究它们,”卡勒说。

在冰立方的科学家报告首次观测到高能天体物理中微子源的几年之后,科学家们发现了NGC 1068发出的几十个中微子。该光源是TXS 0506+056,一颗位于猎户座左肩外约40亿光年的耀泽星。NGC 1068的观测结果表明,还有更多天体物理中微子的来源有待发现。

威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方的成员Justin Vandenbroucke说:“冰立方此前已经发现宇宙在中微子中明亮地发光,而这种发光的起源一直是一个令人兴奋的谜。”“NGC 1068提供了这个谜题的一个关键部分,只能解释大约百分之一的总信号:必须有许多其他的中微子源,可能还有其他类型的中微子源,等待着被发现。”

揭开被遮蔽的宇宙的面纱才刚刚开始,中微子将引领天文学发现的新时代。

关于这项研究的更多信息,请参见《幽灵中微子粒子首次一瞥活动星系的内部深处》。

参考文献:“来自附近活动星系NGC 1068的中微子发射证据”,由IceCube合作,R. Abbasi, M. Ackermann, J. Adams, J. A. Aguilar, M. Ahlers, M. Ahrens, J. M. Alameddine, C. Alispach, A. A. Alves, N. M. Amin, K. Andeen, T. Anderson, G. Anton, C. Argüelles, Y. Ashida, S. Axani, X. Bai, A. Balagopal V., A. Barbano, S. W. Barwick, B. Bastian, V. Basu, S. Baur, R. Bay, J. J. Beatty, K. h。贝克尔,j . Becker Tjus c . Bellenghi s BenZvi d欺瞒,e . Bernardini d . z贝松g .粘结剂d . Bindig e . Blaufuss污点,m . Boddenberg f . Bontempo j . Borowka s波沙o .分公司,j . Bottcher e . Bourbeau f . Bradascio j·布劳恩,b . Brinson美国出生,j . Brostean-Kaiser s .布朗,a·伯格曼r·t·伯利r s会m·a·坎帕纳e . g . Carnie-Bronca c·陈,陈z, d . Chirkin崔k b·a·克拉克k·克拉克,l·克拉森a·科尔曼·g·h·科林,j·m·康拉德·Coppin·科雷亚d·f·考恩r .十字架,c . Dappen p·戴夫,c . De Clercq j·j·德劳内,d . Delgado洛佩兹,h . Dembinski k . Deoskar德赛,p . Desiati k·d·德弗里斯g . De Wasseige m . De, DeYoung t·a·迪亚兹,j . c . Diaz-Velez m . Dittmer h . Dujmovic m . Dunkman m·a . DuVernois e·德沃夏克t . Ehrhardt·埃勒·r·恩格尔,h . Erpenbeck j·埃文斯·a·埃文森k . l .粉丝,a . r .扰a . Fedynitch n . Feigl s Fiedlschuster a . t . Fienberg k . Filimonov c·芬利l·费希尔·d·福克斯,a . Franckowiak e·弗里德曼a·弗里茨·福斯特·t·k . Gaisser j . Gallagher大肠匪徒,a·加西亚s Garrappa l .姑娘a . Ghadimi c·格拉泽t . Glauch t . Glusenkamp a . Goldschmidt j·g·冈萨雷斯,美国他,:d·格兰特,t·格雷戈勒格里斯沃尔德,c·冈瑟·Gutjahr c·哈克,a, r·哈利迪l .减半f·哈尔曾m·哈明k·汉森,j·哈丁,a . a . Harnisch a . Haungs d . Hebecker k .海尔宾f . Henningsen e . c . Hettinger s Hickford j . Hignight c·希尔,G. C. Hill, K. D. Hoffman, R. Hoffmann, B. Hokanson-Fasig, K. Hoshina, F. Huang, M. Huber, T. Huber, K. Hultqvist, M. Hünnefeld, R. Hussain, K. Hymon, S. In, N. Iovine, A. Ishihara, M. Jansson, G. S. Japaridze, M. Jeong, M. Jin, B. J. P. Jones, J. P. Yanez, S. Yoshida, S. Yu, T. Yuan, Z. Zhang, P. zhhelnin, 2022年11月3日,《科学》。DOI: 10.1126 / science.abg3395

冰立方中微子天文台的资金和运作主要来自国家的一项奖励美国威斯康星大学麦迪逊分校国家科学基金(OPP-2042807和PHY-1913607)。冰立方合作项目由来自世界各地58个机构的350多名科学家组成,他们开展了一个广泛的科学项目,奠定了中微子天文学的基础。了解更多信息a在威斯康辛大学麦迪逊分校的网站上介绍冰立方的合作机构