三年前，科學家在地中海海底發現了一些非同尋常的東西：有史以來最高能的宇宙中微子。該粒子攜帶約220 PeV的驚人能量，比先前檢測到的高能中微子高出十倍，而研究人員仍不知道它到底來自哪裡。
現在，一項新研究已經發表 宇宙學與天文粒子物理學雜誌 (JCAP) 顯示它是由耀變體粒子形成的，耀變體粒子是宇宙中一些最極端的物體。耀變體是由超大質量黑洞提供燃料的活躍星系核，直接向地球發射大量等離子體流。
科學家尋找中微子記錄的來源
2023 年 2 月 13 日，位於西西里島海岸深處的巨型中微子觀測站 KM3NeT/ARCA 偵測到了此中微子。有趣的是，探測器仍在建造中。在發現這一點時，只有 21 條探測線在運行，大約是天文台最終預期規模的 10%。
即使採用部分配置，探測器仍捕獲了與科學家以前見過的任何訊號不同的訊號。
調查人員探索這個謎團就像法醫調查人員在犯罪現場檢查線索一樣。從可能的解釋開始，他們創建了模擬並將結果與實際觀察結果進行了比較。
一個主要觀點是，中微子來自一類特殊的耀變體，能夠將粒子加速到極端能量。
「對於這種粒子的起源有幾種可能的解釋，」INFN 那不勒斯的研究員、KM3NeT 合作組織的成員 Meriem Bendahman 解釋道，該合作組織包括數百名貢獻者。 「例如，有人提出，這種中微子是由超高能宇宙射線與宇宙微波背景輻射（來自早期宇宙的殘餘光）相互作用產生的。但中微子也有可能起源於一群極端加速器（例如耀變體）產生的擴散流。”
為什麼開拓者成為主要嫌疑人
對於許多宇宙事件，天文學家會尋找與中微子探測同時來自天空同一區域的電磁對應物，例如無線電波、可見光、X射線或伽馬射線。
但在這種情況下，科學家們並沒有發現匹配的訊號。
“這並不能完全排除點源的可能性，”本達曼說，“但它讓我們認為我們的中微子可能來自模糊背景，也就是說，中微子通量包括許多來源的貢獻。”
這種可能性使研究人員認為該粒子可能起源於大量的耀變體，而不是單一戲劇性的宇宙事件。
為了進行調查，團隊使用了一種名為 AM3 的開源模擬工具來模擬現實的耀變體族群。模擬的許多方面都是基於其他觀測測量的值，包括磁場強度和黑洞周圍發射區域的大小。
研究人員主要針對兩個關鍵因素進行了調整。其中之一是重子電荷，它可以測量質子與電子相比攜帶的能量，並有助於確定可以產生多少中微子。第二個是質子光譜指數，它顯示質子能量如何分佈以及是否可以達到非常高的能量。
對於每次模擬，研究人員都計算了中微子的產生和相關的伽馬射線發射，然後將結果與實際觀測結果進行比較。
與 IceCube 和 Fermi 的比較結果
該研究結合了幾個主要天文台的觀測結果，包括 KM3NeT/ARCA、IceCube 中微子天文台和 NASA 的費米伽馬射線太空望遠鏡。
研究人員不僅僅關注這些儀器觀察到的情況。他們也考慮了沒有觀察到的情況。
例如，包括 IceCube 在內的其他中微子觀測站都沒有偵測到類似的超高能量事件。這表明此類粒子很罕見，這意味著任何提出的解釋都必須考慮到缺乏可比較檢測。
Blazer 模型成功地滿足了這個限制。
研究小組還測試了與費米測量的已知河外伽馬射線背景相比，建議的耀變體群是否會產生過量的伽馬射線。他們的結果與現有的觀察結果一致。
最終，研究人員發現，現實的耀變體數量可以合理地解釋獨特的中微子事件。
本達曼說：“我們用物理驅動的參數模擬了現實的耀變體群體，發現這種耀變體群體可以解釋這種超高能事件的起源，同時與我們對伽馬射線和中微子觀測的限制保持一致。”
KM3NeT可能揭示更多極端的宇宙事件
科學家警告說，在確認耀變體的解釋之前，仍需要更多證據。
「我們需要更多的觀測數據，」本達曼解釋道。 「KM3NeT還在建設中，我們僅在部分構型下探測到了這種超高能中微子。有了完整的探測器和更多的數據，我們將能夠進行更強大的統計分析，打開超高能中微子宇宙的新視窗。”
如果未來的觀察支持這個理論，這些發現可能會重塑科學家對耀變體如何運作以及它們的力量有多大的理解。
“我們以前從未觀察到高能中微子，如果它們來自像耀變體這樣的宇宙加速器，”本達曼總結道，“這將使我們對這些物體如何以比我們之前預期更高的能量發射粒子有新的認識。”
