【博科园-科学科普-留言评论或建议有惊喜哦~( ^_^)】新模型连接了高能中微子的起源，超高能量的宇宙射线，以及在其环境中嵌入黑洞喷射的高能伽马射线。天体粒子物理学中最大的谜团之一就是超高能量宇宙射线的起源，高能中微子和高能伽马射线。现在一种新的理论模型显示，在宇宙射线被超大质量黑洞的强力喷射加速后都可以被射向太空。该模型同时解释了这三种“宇宙信使”粒子的自然起源，并且是基于详细数值计算的第一个天体物理模型。由宾夕法尼亚州立大学和马里兰大学的科学家们制作的一份科学论文将于2018年1月22日在《自然物理》杂志网站上发表。
宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学和天体物理学教授Kohta Murase说：模型显示一种理解为什么这三种类型的宇宙使者粒子有惊人的相似的电源输入到宇宙，尽管观察到太空和地面探测器在单个粒子能量十个数量级，非常高能的中微子、超高能量的宇宙射线和高能伽马射线的实测强度，这一事实几乎可以与之相媲美，我们不禁会想，这些极高能的粒子是否具有某种物理联系。新模型表明高能中微子和高能伽马射线是通过粒子碰撞产生的，作为宇宙射线的子粒子，因此可以继承其母体粒子的可比能量预算。这表明这三种宇宙信使的类似能量学可能并不仅仅是巧合。
这张图片展示了来自巨大的宇宙射线的“多信使”发射，它是由超大质量黑洞的强力喷射而加速的。从黑洞活跃的星系核逃逸出来的高能宇宙射线被困在作为宇宙射线储层的磁化环境中。高能量的中微子和伽马射线是在它们被囚禁期间在磁化环境中产生的，在它们的传播过程中在星系间的空间中产生。高能量的宇宙射线、高能中微子和伽玛射线最终到达地球，在那里可以给我们一个统一的宇宙粒子累积通量的图像。图片版权：Kanoko Horio
超高能宇宙射线是宇宙中最高能的粒子——它们中的每一个都携带着一种能量，即使在世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(lhc)中也无法产生。中微子是一种神秘的、幽灵般的粒子，几乎不与物质发生相互作用。在南极洲的冰立方天文台发现了高能中微子，其能量超过100万电子伏。伽玛射线是已知的最高的电磁能量辐射，费米伽马射线空间望远镜和其他地面观测站观测到的能量比可见光的光子高出十亿倍以上。将这三种宇宙信使的所有信息相结合，是相辅相成的，而且这种多信使的方法在最近几年变得非常强大。
Murase和他的第一作者，马里兰大学的博士后Ke Fang，试图解释最新的多信使数据来自非常高能的中微子，超高能量的宇宙射线和高能伽马射线，基于一个单一但现实的天体物理装置。他们发现通过使用数值模拟来分析这些带电粒子的命运，可以很好地解释多信使数据。在我们的模型中宇宙射线是由活动星系核的强大喷射加速的，它们通过射流末端经常被发现的无线电波发射出去。然后计算在磁场存在的情况下，星系群和群内的宇宙射线的传播和相互作用。进一步模拟了宇宙射线在源和地球间的磁场之间的传播和相互作用。最后整合了宇宙中所有来源的贡献。
在半个世纪以来，宇宙中最高能量的宇宙粒子起源之谜的主要嫌疑人都在被称为“活动星系核”的星系中，它在中央超大质量黑洞周围有一个超辐射的核心区域。一些活跃的星系核伴随着强大的相对论性喷流。由喷流或其环境产生的高能宇宙粒子几乎和光速一样被射向太空。研究表明从活动星系核及其周围环境(如星系团和组)中逸出的超高能量宇宙射线可以解释超高能宇宙射线光谱和组成。它还可以解释一些由地面实验发现的无法解释的现象。同时在1亿多兆电子伏特以上的高能中微子谱可以通过宇宙射线和星系团和群中的气体的粒子碰撞来解释。来自星系群和星系间空间的相关伽马射线发射与未解释的高能量伽马射线背景中无法解释的部分相匹配，而这与一种特定类型的活动星系核并不相关。
这个模型为进一步尝试建立一个统一的模型铺平了道路。这些宇宙信使都是由同一类天体物理源和高能中微子和伽马射线产生的共同机制相互联系在一起的。然而也有其他的可能性，需要解释一些新的谜团，包括在南极冰立方天文台记录的千万兆电子伏范围内的中微子数据。因此基于多信使方法的进一步研究——将理论与所有三个信使数据结合起来——对测试新模型至关重要。
这个新模型预计将激励研究星系群和群，以及发展其他统一的高能宇宙粒子模型。当观测开始与下一代中微子探测器(如IceCube-Gen2和KM3Net)以及下一代伽玛射线望远镜(切伦科夫望远镜阵列)进行观测时，预计将进行严格的测试。多信使粒子天体物理学的黄金时代最近开始了。现在可以从所有不同类型的宇宙信使中学习到的所有信息，对于揭示极端能量宇宙粒子的物理知识和对我们的宇宙有更深的了解是很重要的。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：Nature Physics
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：伦敦大学学院
编译：中子星
审校：博科园
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