在遥远的宇宙对撞机中产生中微子

TXS 0506 + 056。中微子事件IceCube 170922A似乎起源于两个射流的相互作用区域。

在南极的IceCube中微子天文台发现的中微子事件IceCube 170922A似乎起源于遥远的活动星系TXS 0506 + 056，其光传播距离为38亿光年。TXS 0506 + 056是众多活跃星系之一，至今仍是一个谜，为什么以及如何仅此特定星系产生中微子。

由德国波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所的Silke Britzen领导的国际研究团队研究了2009年至2018年中微子事件前后的高分辨射电观测。研究小组提出，在中微子爆发之前，中微子的活动增强，单个中微子可能是由于TXS 0506 + 056内的宇宙碰撞而产生的。靠近超大质量黑洞的喷射物质的碰撞似乎产生了中微子。

结果发表在《天文学与天体物理学》上。

2018年7月12日，IceCube合作宣布检测到首个高能中微子IceCube-170922A，其起源可追溯至遥远的宇宙起源。尽管怀疑中微子的宇宙起源已有相当长的一段时间，但这是来自外太空的第一个中微子，其起源可以得到确认。中微子的“家”是一个活跃的银河系核（AGN）–一个具有超大质量黑洞作为中央引擎的星系。一个国际团队现在可以弄清中微子的产生机理，并发现了一个等效于地球对撞机的东西：喷射物质的宇宙碰撞。

AGN是我们宇宙中最有活力的物体。在超大质量黑洞的推动下，物质被吸收，等离子体流（所谓的射流）被发射到星际空间。BL Lac天体是这些AGN的特殊类别，其中射流直接指向我们并主导着观察到的辐射。中微子事件IceCube-170922A似乎起源于BL Lac对象TXS 0506 + 056，这是一个红移z = 0.34的星系，对应于38亿光年的光传播距离。IceCube协作组织对档案IceCube数据的分析显示，早在2014年9月至2015年3月之间，中微子活性增强了。

其他BL Lac对象显示的属性与TXS 0506 + 056的属性非常相似。该论文的主要作者，马克斯·普朗克射电天文学研究所（MPIfR）的Silke Britzen解释说：“然而，为什么只有TXS 0506 + 056被鉴定为中微子发射器，这是一个谜。“我们想弄清楚TXS 0506 + 056的特殊之处，以了解中微子的产生过程并确定发射点的位置，并研究了一系列高分辨率的射流放射图像。”

令他们惊讶的是，研究人员发现TXS 0506 + 056中的喷射材料之间发生了意外的相互作用。通常假定喷射等离子体在一种通道中不受干扰地流动，但TXS 0506 + 056中的情况似乎有所不同。研究小组建议，2014-2015年中微子爆发期间中微子活性增强，而单个EHE中微子IceCube-170922A可能是由源内的宇宙碰撞产生的。

这种宇宙碰撞可以用新的喷射材料碰撞成较旧的喷射材料来解释。强烈弯曲的射流结构可为这种情况提供适当的设置。另一种解释涉及同一源中的两个喷射器的碰撞。在这两种情况下，产生中微子的都是喷射材料的碰撞。该论文的合著者，来自西北波切夫斯特鲁姆（南非）的MarkusBöttcher进行了有关辐射和粒子发射的计算。“喷射材料的这种碰撞是目前唯一可以解释从中子源探测到中微子的可行机制。它还为我们提供了有关喷射材料的重要见解，并解决了一个长期存在的问题：喷射器是由电子和正电子组成的轻子，还是由电子和质子组成的强子，或两者兼而有之。至少部分喷射材料必须是强子性的–否则，我们将不会检测到中微子。”

在我们宇宙的宇宙演化过程中，星系的碰撞似乎是经常发生的现象。假设两个星系都包含中心的超大质量黑洞，那么星系碰撞会在中心形成一个黑洞对。这对黑洞最终可能会合并并产生与LIGO / Virgo合作在引力波中检测到的恒星黑洞合并等效的超大质量。

多年来，人们一直追求具有双黑洞且仅相隔仅几光年的AGN。但是，它们似乎很少且难以识别。除了喷射材料的碰撞外，研究小组还发现了TXS 0506 + 056中央喷嘴进动的证据。根据华沙理论物理中心的MichalZajaček的说法：“这种进动通常可以用爱因斯坦的广义相对论所预测的超大质量黑洞双星或兰斯-蒂林进动效应来解释。后者也可能由中心的第二个更远的黑洞触发。这两种情况都会导致射流方向的漂移，这是我们观察到的。”

来自海德堡的马克斯·普朗克天文学研究所的克里斯蒂安·芬特（Christian Fendt）感到惊讶：“我们越靠近射流源，内部结构和射流动力学就会越复杂。尽管二元黑洞产生了更为复杂的流出结构，但自然而然的存在是根据星系合并形成的星系宇宙学模型来预期的。”

Silke Britzen强调了这一发现的科学潜力：“通过研究射流内部了解中微子的产生，真是太棒了。如果我们的分析为具有两个射流的二元黑洞射流源提供了另一个候选者，那将是一个突破。”

这似乎是第一次报道了两个喷流在几光年尺度上的潜在碰撞，而且宇宙中微子的探测可能追溯到宇宙喷流碰撞。

尽管TXS 0506 + 056可能不代表BL Lac对象的类别，但该源可以为喷射物质的重复相互作用和中微子的产生提供适当的设置。

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参考：“宇宙对撞机：在TXS 0506 + 056中进动的射流相互作用中产生了IceCube中微子吗？” S.Britzen，C.Fendt，M.Böttcher，M.Zajaček，F.Jaron，I.N.Pashchenko，A.Araudo，V.Karas和O.Kurtanidze，2019年10月2日，天文学与天体物理学.DOI：
10.1051/0004-6361/201935422

IceCube Neutrino天文台旨在观察南极冰层深处的宇宙。IceCube包含一立方公里的冰，搜寻几乎无质量的亚原子粒子，称为中微子。这些高能天文信使提供信息，以探测最猛烈的天体物理学来源：诸如爆炸的恒星，伽马射线爆发以及涉及黑洞和中子星的灾难性现象等事件。

MOJAVE（通过VLBA实验监测有源银河核中的射流）是一项长期程序，用于监视与北部天空中可见的活动星系相关的射流的射电亮度和极化变化。超长基线阵列（VLBA）是由十个射电望远镜组成的系统，由新墨西哥州的索科罗（Socorro）操作。使用非常长的基线干涉测量法，十个无线电天线可以作为一个阵列一起工作。

BL Lac对象是活动银河核（AGN）的特殊子类。AGN是位于银河系中心的紧凑区域，在电磁频谱的至少一部分上具有比正常发光度高得多的亮度。这种光度是非热的，是由靠近中心黑洞的物质积聚产生的。BL紫胶物体的射流直接对准观察者，从而产生独特的无线电发射光谱。

“天文学与天体物理学”原始论文的作者是西尔克·布里岑，克里斯蒂安·芬特，马库斯·伯切尔，米哈尔·扎哈切克，弗雷德里克·贾伦，伊利亚·帕什琴科，阿纳贝拉·阿劳多，弗拉基米尔·卡拉斯和奥马尔·库塔尼泽。第一作者Silke Britzen以及MichalZajaček和Frederic Jaron均隶属于MPIfR。

除MPIfR之外，作者的附属机构还包括德国海德堡的Max-Planck-InstitutfürAstronomie，空间研究中心（南非西北大学，Pottchefstroom），物理研究所I.（德国科隆大学） ），理论物理中心（波兰科学院，波兰华沙），大地测量与地球信息研究所（德国波恩大学），阿斯特罗航天中心（俄罗斯科学院列别杰夫物理学院，俄罗斯） ，天文研究所和物理研究所（捷克科学院，捷克布拉格）和佐治亚州的阿巴斯图玛尼天文台。