編譯 王曉濤

迄今為止最確鑿的證據(jù)表明，高能中微子可能是由潮汐力形成的。潮汐力撕裂了超大質(zhì)量黑洞附近的恒星。

2019年10月1日，南極洲的冰立方（IceCube）中微子觀(guān)測(cè)站檢測(cè)到一個(gè)異常高能的0.2 PeV的中微子。七小時(shí)后，加利福尼亞州的茲維基瞬變?cè)O(shè)施在光學(xué)波長(zhǎng)下對(duì)天空進(jìn)行了廣域觀(guān)測(cè)。該設(shè)施在入射中微子的90%不確定性區(qū)間內(nèi)觀(guān)察到了光學(xué)波段的發(fā)射光譜。

研究人員分析了發(fā)射光譜的能流、發(fā)射光在高能中微子天區(qū)中的位置以及部分建模結(jié)果，得出結(jié)論，認(rèn)為這兩種觀(guān)測(cè)結(jié)果可以聯(lián)系起來(lái)。光學(xué)發(fā)射是由一種稱(chēng)為潮汐破壞事件（TDE）的明亮瞬態(tài)現(xiàn)象引起的，該現(xiàn)象在中微子爆發(fā)前一年首次被觀(guān)察到。

當(dāng)恒星足夠接近超大質(zhì)量黑洞以經(jīng)歷“意大利面化”時(shí)，就會(huì)發(fā)生TDE——由黑洞的極端潮汐力引起物體拉伸和壓縮形成長(zhǎng)而細(xì)的鏈。

兩篇論文提出，能量高于100 TeV的中微子，就像2019年時(shí)觀(guān)測(cè)到的事件一樣，可以在等離子體的相對(duì)論性噴流中產(chǎn)生。這些等離子體由此類(lèi)事件發(fā)生后向外拋出的恒星碎片組成。在IceCube于2013年探測(cè)到第一批銀河系外事件之前，文獻(xiàn)中已經(jīng)對(duì)活躍星系核（AGN）和其他可能的高能中微子發(fā)射源進(jìn)行過(guò)討論。但是，由于2019年僅報(bào)告了一個(gè)TDE-中微子關(guān)聯(lián)事件，研究人員無(wú)法將TDE最終確定為高能中微子源。

現(xiàn)在，茲維基瞬變?cè)O(shè)施在IceCube檢測(cè)到的中微子的不確定性區(qū)間內(nèi)觀(guān)察到了另一個(gè)TDE。來(lái)自德國(guó)電子同步加速器研究中心的西蒙·羅伊斯（Simeon Reusch）和來(lái)自柏林洪堡大學(xué)的馬雷克·科瓦爾斯基（Marek Kowalski）與他們的同事共同估計(jì)，這種配對(duì)再次偶然發(fā)生的概率為0.034%。這為T(mén)DE作為高能中微子源這一假設(shè)提供了更多的可信度。

星星發(fā)光，星星發(fā)亮

新觀(guān)測(cè)到的TDE位于一個(gè)AGN中。AGN是星系的明亮、致密的中心區(qū)域。這個(gè)星系距離地球44億光年，其中心有一個(gè)質(zhì)量為3 150萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。在某顆恒星足夠接近并被撕裂后，它的遺骸可能在黑洞周?chē)D(zhuǎn)并受到吸積作用，開(kāi)始在許多波長(zhǎng)上明亮地發(fā)光。

該瞬態(tài)耀斑于2019年5月在茲維基瞬變?cè)O(shè)施中首次被發(fā)現(xiàn)，并于2019年8月達(dá)到峰值光度。相關(guān)的中微子在九個(gè)月后被IceCube檢測(cè)到，此時(shí)耀斑的流量已經(jīng)減少約30%。這種耀斑通常持續(xù)數(shù)月。截至2022年6月，這一耀斑仍然可以被檢測(cè)到。

圖1 當(dāng)一顆比太陽(yáng)大得多的恒星接近距離地球44億光年的星系中心的超大質(zhì)量黑洞時(shí)，潮汐破壞事件發(fā)生了。在此圖中，來(lái)自中心潮汐力的輻射蒸發(fā)了其附近的塵埃。半光年外，更遙遠(yuǎn)的紅色塵埃升溫并開(kāi)始在紅外波長(zhǎng)下發(fā)光。該塵埃回波是在事件發(fā)生的初始光學(xué)發(fā)射現(xiàn)象幾個(gè)月后檢測(cè)到的。該事件還發(fā)射了等離子體射流

TDE并不是耀斑的唯一可能來(lái)源，它也可能直接來(lái)自AGN。由于AGN的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)TDE，因此它們的發(fā)射光更為常見(jiàn)。耀斑的首批數(shù)據(jù)表明，它可能是一顆超亮的超新星——這是一種恒星的爆炸現(xiàn)象，其光度至少是典型超新星的10倍。為了更好地確定TDE是不是光學(xué)發(fā)射源，羅伊斯和科瓦爾斯基等人對(duì)幾乎跨越了整個(gè)電磁波譜的耀斑測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了研究。

一些最有用的證據(jù)來(lái)自eROSITA望遠(yuǎn)鏡，它是俄羅斯與德國(guó)合作研發(fā)的Spektr-RG衛(wèi)星的一部分。儀器對(duì)假定產(chǎn)生TDE的天區(qū)開(kāi)展了四次掃描。在2021年3月的第三次掃描中，它在耀斑的峰值光度下降后檢測(cè)到低能量的X射線(xiàn)發(fā)射，這對(duì)于超亮超新星來(lái)說(shuō)是非常罕見(jiàn)的。

姍姍來(lái)遲的紅外線(xiàn)

支持TDE的第二個(gè)關(guān)鍵證據(jù)來(lái)自NEOWISE空間望遠(yuǎn)鏡收集的中紅外觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。NEOWISE是美國(guó)宇航局重新啟用的廣域紅外巡天探測(cè)器，其當(dāng)前任務(wù)是識(shí)別和表征近地天體。中紅外觀(guān)測(cè)顯示，事件的紅外光度峰值非常奇怪地滯后于光學(xué)發(fā)射峰值近一年。

“這種時(shí)間延遲讓我們想到了塵埃回聲。” 羅伊斯說(shuō)。圖 1 是顯示了AGN被之前存在的塵埃云包圍的藝術(shù)插圖；當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)時(shí)，它升溫并開(kāi)始發(fā)光。恒星附近的塵埃被TDE的輻射摧毀，只留下了距離TDE十分遙遠(yuǎn)的塵埃。

在塵?；夭ㄟ@一解釋中，TDE發(fā)出的一些紅外光被周?chē)膲m埃吸收并重新發(fā)射。TDE直接沿著視線(xiàn)行進(jìn)的光首先到達(dá)地球。最初垂直于視線(xiàn)或從遠(yuǎn)端發(fā)射的加熱粉塵的紅外光則必須傳播得更遠(yuǎn)，因此比光學(xué)發(fā)射晚幾個(gè)月到達(dá)。

羅伊斯和科瓦爾斯基等人首先使用單個(gè)黑體作為輻射源模擬來(lái)自TDE的紅外、光學(xué)及紫外線(xiàn)。但結(jié)果與觀(guān)測(cè)的光譜形狀不一致。他們發(fā)現(xiàn)，最合適的模型來(lái)自一個(gè)由兩個(gè)不同溫度下的黑體組成的模型：一個(gè)用于TDE的發(fā)射，另一個(gè)用于紅外塵?；夭ǖ陌l(fā)射。

噴流、圓盤(pán)還是風(fēng)？

為了更好地了解異常持久的TDE如何產(chǎn)生高能中微子，研究小組模擬了三種可能的機(jī)制。除了相對(duì)論性噴流之外，TDE還可能來(lái)自從恒星殘骸中吸積的氣態(tài)物質(zhì)盤(pán)。由于足夠強(qiáng)的吸積作用，圓盤(pán)冕區(qū)的碰撞等離子體可以加速粒子并產(chǎn)生中微子。這樣的吸積盤(pán)還可以發(fā)射一股由噴射物質(zhì)組成的亞相對(duì)論風(fēng)，這種物質(zhì)的能量足以產(chǎn)生中微子。

圖2顯示了在每種可能機(jī)制中，中微子通量與能量的函數(shù)關(guān)系。這三種機(jī)制中的任何一種都可以合理地產(chǎn)生具有IceCube觀(guān)察到的能量（豎直虛線(xiàn)）的中微子。

圖2 高能中微子可能由與潮汐破壞事件相關(guān)的各種機(jī)制產(chǎn)生。在潮汐破壞事件中，恒星因超大質(zhì)量黑洞的潮汐力而死亡。IceCube中微子天文臺(tái)在2020年檢測(cè)到的中微子（豎直虛線(xiàn)）的能量與幾個(gè)模型相符合。它可能是由從事件中排出的相對(duì)論性等離子體射流（深色虛線(xiàn)）、由恒星碎片組成的吸積盤(pán)冕區(qū)內(nèi)的碰撞等離子體（實(shí)線(xiàn)）或射出物質(zhì)的亞相對(duì)論風(fēng)（淺色虛線(xiàn)）產(chǎn)生的

TDE-中微子關(guān)聯(lián)的其他細(xì)節(jié)仍然模糊不清。例如，IceCube研究人員不能從統(tǒng)計(jì)分析中排除中微子由地球上的大氣過(guò)程形成的可能性。他們得出結(jié)論，中微子僅有59%的可能性具有天體物理的起源。

多信使天體物理學(xué)

最早在2023年，我們就有可能探測(cè)到更多的TDE并更好地建立它們與高能中微子的關(guān)系。原名為大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡的薇拉·魯賓天文臺(tái)目前正在智利建造。如果它可以看到天空的第一縷光，它的寬視場(chǎng)西蒙尼巡天望遠(yuǎn)鏡每隔幾個(gè)晚上就可以拍攝整個(gè)天空。

如果TDE-中微子關(guān)聯(lián)確實(shí)存在，那么TDE必須是極其高效的粒子加速源。高能中微子的能量比最令人震驚的地面粒子加速器所能達(dá)到的能量還要高出許多個(gè)數(shù)量級(jí)，而且它們到達(dá)地球時(shí)基本上沒(méi)有受到干擾。

因此，高能中微子是多信使天體物理實(shí)驗(yàn)室的自然組成部分。它不能像傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)菢颖豢刂苹驈?fù)制，但它可以用來(lái)研究高能過(guò)程并測(cè)試粒子物理學(xué)的基本思想。

例如，宇宙中一些最密集、能量最高的環(huán)境是在超新星中發(fā)現(xiàn)的。由于中微子非常輕，并且僅存在弱核力相互作用，因此它們可以穿過(guò)超新星的致密核心并探測(cè)那里的情況。

理論上，中微子也有望在中子星合并期間產(chǎn)生。在2017年的雙中子星合并事件后，我們沒(méi)有觀(guān)察到引力波和伽馬射線(xiàn)暴。盡管如此，對(duì)它們的追尋仍在繼續(xù)。它們可能會(huì)提供有關(guān)中子星合并密度以及能量如何從中消散的信息——如果我們能夠檢測(cè)到的話(huà)。

資料來(lái)源Physics Today