「魷魚星系」黑洞噴發神秘微中子風暴 科學家發現全新宇宙粒子生成機制

南極冰層深處的巨型觀測站捕捉到一股神秘的微中子流，這項發現正在改寫科學家對這些難以捉摸粒子如何在遙遠星系形成的認知。被暱稱為「魷魚星系」的NGC 1068，並未如預期般伴隨強烈的伽瑪射線釋放微中子，這種異常現象讓國際科學團隊發現了令人驚奇的宇宙之謎。

這項突破性發現源自對距離地球約4700萬光年的NGC 1068星系異常觀測。科學家偵測到強大的微中子流，但令人意外的是，伴隨的伽瑪射線強度遠低於預期。這種奇特的不匹配現象，挑戰了長期以來關於高能粒子如何在太空中產生的理論。

位於南極冰層下的「冰立方微中子觀測站」成功捕捉到這些訊號。這個由埋藏在立方公里透明冰層中的探測器組成的龐大網路，專門偵測微中子與物質相互作用時產生的罕見閃光，為觀測遙遠宇宙事件開闢了新途徑。

來自加州大學洛杉磯分校、大阪大學和日本卡夫裡宇宙物理數學研究所的研究團隊認為，魷魚星系可能以一種前所未見的方式產生微中子，這種方式與標準模型完全不符。傳統理論認為，像NGC 1068這樣的星系產生的高能微中子，是由高速質子與光子碰撞形成的，這種劇烈相互作用理應同時產生強烈的伽瑪射線。

然而，NGC 1068的伽瑪射線訊號不僅微弱，波形也異常特殊，這讓科學家開始質疑傳統的質子-光子碰撞理論是否適用。現有理論，包括涉及星系熾熱中心區域「日冕」的假說，都無法完全解釋這些奇特的觀測資料。

這項發現在天體物理學界引發熱烈討論，研究人員正競相探究這個星系核心區域究竟發生了什麼。若獲得證實，這項發現將改寫我們對超大質量黑洞周圍極端環境的認知，以及宇宙如何創造某些最神秘粒子的理解。

研究團隊在《物理評論快報》發表的論文中提出，NGC 1068的高能微中子主要源自氦原子核在星系噴流中因強烈紫外輻射而分裂時，中子衰變的產物。當這些氦原子核與星系中心區域發射的紫外光子碰撞時，會發生分裂並釋放中子，這些中子隨後衰變成微中子，其能量與觀測結果相符。

此外，這些核衰變產生的電子會與周圍輻射場相互作用，產生與觀測到的低強度一致的伽瑪射線。這個假說完美解釋了為何微中子訊號遠強於伽瑪射線，也說明瞭觀測到的微中子和伽瑪射線能量譜的特殊分佈。

這項突破幫助科學家理解活躍星系中的宇宙噴流如何能在不伴隨強烈伽瑪射線的情況下發射強大微中子，為包括銀河系中心在內的超大質量黑洞周圍極端複雜環境提供了新見解。

「我們對NGC 1068星系中心極端區域所知甚少，」論文共同作者、加州大學洛杉磯分校物理與天文學教授Alexander Kusenko表示。「如果我們的假說獲得證實，這將告訴我們關於該星系中心超大質量黑洞周圍環境的重要資訊。」

這項研究也證實了隱藏天體物理微中子源的存在，這些源頭過去可能因其微弱的伽瑪射線特徵而被忽視。微中子是一種僅與重力產生微弱相互作用的次原子粒子，能夠穿透物質，這使得它們比其他次原子粒子更難偵測。

「我們有望遠鏡用光來觀測恆星，但許多天體物理系統也會發射微中子，」Kusenko解釋。「要觀測微中子，我們需要不同型別的望遠鏡，這就是我們在南極建立的觀測站。」

研究團隊提出的新機制顯示，當氦原子核在超大質量黑洞噴流中加速時，會與光子碰撞並分裂，將其兩個質子和兩個中子釋放到太空中。質子可以飛離，但不穩定的中子會衰變成微中子，且不產生伽瑪射線。

「氫和氦是太空中最常見的兩種元素，」論文第一作者、加州大學洛杉磯分校博士生Koichiro Yasuda指出。「但氫只有一個質子，當這個質子撞擊光子時，會同時產生微中子和強烈伽瑪射線。而中子有另一種產生微中子的方式，且不會產生伽瑪射線。因此，氦很可能是我們從NGC 1068觀測到的微中子來源。」

這項研究揭示了包括NGC 1068和銀河系在內許多星系中心超大質量黑洞周圍的極端環境，在那裡難以想像的巨大引力和能量會將原子撕裂。雖然理解星系中心與改善人類福祉之間未必有直接關聯，但透過研究微中子等粒子和伽瑪射線等輻射獲得的知識，往往會引領科技走向令人驚奇且具變革性的道路。

「當J.J.湯普森因發現電子獲得1906年諾貝爾物理學獎時，他在頒獎典禮後的晚宴上著名地祝酒說，這可能是歷史上最無用的發現，」Kusenko回憶道。「當然，如今每支智慧型手機、每個電子裝置都在使用湯普森近125年前的發現。」

Kusenko還指出，粒子物理學催生了網際網路，它最初是物理學家為在實驗室間傳輸大量資料而開發的網路。他也提到，核磁共振的發現當時看似晦澀，卻導致了磁振造影技術的發展，如今已成為醫學常規檢查。

「我們正站在微中子天文學新領域的起點，來自NGC 1068的神秘微中子只是我們必須解決的眾多謎題之一，」Kusenko表示。「對科學的投資可能會產生你現在無法欣賞的東西，但可能在幾十年後帶來重大突破。這是一項長期投資，而私人企業通常不願投入我們正在進行的這類研究。這就是為什麼政府對科學的資助如此重要，也是為什麼大學如此重要。」