有一天，三位宇宙信使到访地球

2支棒棒糖

地球人问：你们从何而来？

极高能宇宙射线、高能中微子和高能伽玛射线，这三位天外来客的起源问题一直是天体粒子物理学中最大的谜题。这是三种非常不同的神秘高能粒子，因此天体物理学家总是独立的对它们进行研究。

然而，天文学家从太空和地面探测器观测到这三类粒子后发现，尽管它们的能量相差了十个数量级左右，但奇怪的是它们的能量产生率却是旗鼓相当的。这进一步加深了谜题：难道仅仅只是一个巧合？又或许，这暗示了它们同出一源？天体物理学家Ke Fang（方可）和Kohta Murase（村濑孔大）沿着这一思路提出了一个新的理论模型指出，三种神秘的高能粒子或许都来自嵌入在星系团中的活跃黑洞。该结果发表于2018年1月22日的《自然物理》杂志[1]。

○ 艺术想象图：超大质量黑洞产生的喷流，或许是是三种高能粒子的诞生之所。| 图片来源：JPL-CALTECH/NASA

在进一步讨论前，我们先来简单的认识一下这几位宇宙信使：

极高能宇宙射线是已知宇宙中能量最高的亚原子粒子（大多数是质子，也有一些是由重原子核组成的），它们所携带的能量都远远高于地球上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机——所能够产生的。

中微子则是出了名的神秘，它们几乎不与普通物质相互作用，因此被称为幽灵粒子。在宇宙诞生之初它们就已经产生了，并且持续在炙热的恒星以及地球上的核反应堆中产生。而它们的高能伙伴的能量则比它们要高出百亿倍，并且已经被南极洲的冰立方中微子天文台探测到（目前标准模型中的三种中微子只探测到两种，τ中微子还未被探测到）。

伽玛射线则拥有着最高的电磁能，费米伽玛射线空间望远镜和其它的地面天文台都探测到了能量比可见光光子高出一亿倍的高能伽玛射线。

但是，它们究竟起源于何方？是什么机制让它们获得了不同寻常的高能量，这是天体物理学家多年来想要寻求的答案。而在这篇最新的论文中，我们看到了一个令人欣喜的统一模型。

○ AGN要比普通星系的亮度高出许多，它们通常是由黑洞（Black hole）、吸积盘（Accretion disk）和喷流（Jet）组成的。| 图片来源：Pearson Education, Inc.

半个世纪以来，天文学家一直怀疑宇宙中能量最高的粒子来自于被称为“活动星系核（AGN）”的星系。AGN是由超大质量黑洞和其周围的吸积盘组成的，有一些超大质量黑洞会不断地吞噬周围的物质并最终产生强大的相对论性喷流，这些喷流会以射电波的形式辐射出能量，很有可能是极高能宇宙射线的的来源。

○ 有一些喷流的尾部会产生巨大的射电瓣（Radio lobes）。| 图片来源：NRAO

在新模型中，高能宇宙射线会在喷流中产生，并被加速至接近光速，最后通过喷流尾部的射电瓣逃逸。接着，这些逃离的高能宇宙射线会穿过AGN所在的星系团中的被磁化的气体海。有一些宇宙射线会逃离气体并抵达地球。但是能量没那么高的射线会被困在星系团中上亿年。在这段时间中，这些射线会与气体相互作用，并产生高能的中微子和伽马射线，逃离星系团。同时，那些早已逃离的宇宙射线穿梭在星际空间中，并与宇宙微波背景辐射光子作用产生背景中微子及伽玛射线。

○ 该模型的艺术描绘揭示了”多信使“发射。宇宙射线被喷流加速，逃离的高能射线与AGN周围的环境相互作用，产生了高能中微子和伽玛射线。| 图片来源：Kanoko Horio

基于该模型的推测，方可和Murase模拟了这些来自AGN的宇宙射线是如何在星系团和外太空传播的，以及计算出了通过粒子对撞产生的中微子和伽玛射线的数量。令他们惊喜的是，模拟的结果和已有的观测数据相符。他们的结果即解释了极高能宇宙射线的光谱和成分，也解释了一些地面实验发现的未解释的现象。

当然，仍有其它的可能机制可以产生这些高能粒子，以及一些新的谜题需要被解释，包括冰立方中微子天文台所观测到的能量较低（千万兆电子伏特范围）的中微子。

这个新模型有望激发对星系团和星系群的研究，以及发展其它的高能宇宙粒子的统一模型。下一代的粒子探测器（比如冰立方-2代、KM3Net、GRAND、下一代伽玛射线望远镜、以及切伦科夫望远镜阵列）将对该模型进行严格的验证。

文章作者表示：“多信使粒子天体物理学的黄金时代才刚刚开始。现在，我们可以从不同类型的宇宙信使中得到的所有信息，都对揭示高能宇宙粒子的物理和理解宇宙深层奥秘至关重要。”

特别鸣谢：感谢论文第一作者方可博士对本文提出的宝贵意见。

参考来源：

[1] https://www.nature.com/articles/s41567-017-0025-4.pdf

[2] http://science.psu.edu/news-and-events/2018-news/Murase1-2018

[3] https://www.nature.com/articles/s41567-018-0044-9

[4] https://www.space.com/39475-monster-black-hole-jets-high-cosmic-particles.html

拓展阅读列表：

https://www.altmetric.com/details/32071816/news


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