天地志 | 黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子 / 开普饭

黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子

位于南极洲极点处的IceCube中微子天文台

“冰立方”中微子天文台找到耀变体发射超高能中微子的证据。

冰立方(IceCube）是美国设在南极洲极点处的中微子天文台。它由分布在1立方公里内的86串光传感器（光电倍增管）构成，每串60个，位于冰层下1450米到2450米。当高能中微子被冰俘获，产生带电粒子，穿过传感器阵列，将产生切伦科夫光，从而被探测到。

（IceCube）

2017年9月22日，冰立方探测到一个能量为290 TeV的中微子。作为对比，目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能把粒子加速到7 TeV。

冰立方的主要科学目标是通过中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此，它建立了一个预警网络，对每个超高能中微子，实时重建出其方向，发布给其它望远镜，以便通过射电、光学、伽玛等波段观测对应的天体活动。观测到这个中微子后43秒，自动预警信息发出。4小时后伽玛射线协作网发出通知。

刚开始，几个天文台并没有看到任何反常信号。6天后，费米卫星首先报告，在冰立方给的方向仅相差0.1度的地方，有个一个月前就开始闪耀的耀变体，开始变得特别明亮。很快，十几台射电、光学、伽玛望远望也观察到了显著信号，比如大西洋上的MAGIC大气切伦科夫望远镜。

耀变体（Blazar）是活动星系核的一种，是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能，或者黑洞的转动能量，转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向我们的视线，就构成耀变体。

高能宇宙线的起源是百年之谜，我们既不知道它们从哪儿来，也不知道其加速机制。人们猜测它的来源可能包括中子星、伽玛射线暴、极端超新星、活动星系核等。

在耀变体喷流中，带电粒子可以加速到极高能量。由于带电粒子受宇宙中磁场的偏转，当它们到达地球时，我们并不知道它们来自何处。也许它们已在银河系中旋转了几十圈，才飘飘荡荡地抵达地球。被喷流加速的质子或者核，与物质相互作用时能产生高能介子，最终衰变成光子和中微子，而中微子是不受磁场干扰的，能够直指源头。看到290 TeV的中微子，意味着耀变体喷流可以产生至少几万TeV的质子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。