有一天，三位宇宙信使到訪地球

極高能宇宙射線、高能中微子和高能伽瑪射線，這三位天外來客的起源問題一直是天體粒子物理學中最大的謎題。這是三種非常不同的神秘高能粒子，因此天體物理學家總是獨立的對它們進行研究。

然而，天文學家從太空和地面探測器觀測到這三類粒子後發現，儘管它們的能量相差了十個數量級左右，但奇怪的是它們的能量產生率卻是旗鼓相當的。這進一步加深了謎題：難道僅僅只是一個巧合？又或許，這暗示了它們同出一源？天體物理學家Ke Fang（方可）和Kohta Murase（村瀨孔大）沿著這一思路提出了一個新的理論模型指出，三種神秘的高能粒子或許都來自嵌入在星系團中的活躍黑洞。該結果發表於2018年1月22日的《自然物理》雜誌[1]。

藝術想像圖：超大質量黑洞產生的噴流，或許是是三種高能粒子的誕生之所。| 圖片來源：JPL-CALTECH/NASA

在進一步討論前，我們先來簡單的認識一下這幾位宇宙信使：

極高能宇宙射線是已知宇宙中能量最高的亞原子粒子（大多數是質子，也有一些是由重原子核組成的），它們所攜帶的能量都遠遠高於地球上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機——所能夠產生的。

中微子則是出了名的神秘，它們幾乎不與普通物質相互作用，因此被稱為幽靈粒子。在宇宙誕生之初它們就已經產生了，並且持續在炙熱的恆星以及地球上的核反應堆中產生。而它們的高能夥伴的能量則比它們要高出百億倍，並且已經被南極洲的冰立方中微子天文台探測到（目前標準模型中的三種中微子只探測到兩種，τ中微子還未被探測到）。

伽瑪射線則擁有著最高的電磁能，費米伽瑪射線空間望遠鏡和其它的地面天文台都探測到了能量比可見光光子高出一億倍的高能伽瑪射線。

但是，它們究竟起源於何方？是什麼機制讓它們獲得了不同尋常的高能量，這是天體物理學家多年來想要尋求的答案。而在這篇最新的論文中，我們看到了一個令人欣喜的統一模型。

AGN要比普通星系的亮度高出許多，它們通常是由黑洞（Black hole）、吸積盤（Accretion disk）和噴流（Jet）組成的。| 圖片來源：Pearson Education, Inc.

半個世紀以來，天文學家一直懷疑宇宙中能量最高的粒子來自於被稱為「活動星系核（AGN）」的星系。AGN是由超大質量黑洞和其周圍的吸積盤組成的，有一些超大質量黑洞會不斷地吞噬周圍的物質並最終產生強大的相對論性噴流，這些噴流會以射電波的形式輻射出能量，很有可能是極高能宇宙射線的的來源。

有一些噴流的尾部會產生巨大的射電瓣（Radio lobes）。| 圖片來源：NRAO

在新模型中，高能宇宙射線會在噴流中產生，並被加速至接近光速，最後通過噴流尾部的射電瓣逃逸。接著，這些逃離的高能宇宙射線會穿過AGN所在的星系團中的被磁化的氣體海。有一些宇宙射線會逃離氣體並抵達地球。但是能量沒那麼高的射線會被困在星系團中上億年。在這段時間中，這些射線會與氣體相互作用，併產生高能的中微子和伽馬射線，逃離星系團。同時，那些早已逃離的宇宙射線穿梭在星際空間中，並與宇宙微波背景輻射光子作用產生背景中微子及伽瑪射線。

該模型的藝術描繪揭示了」多信使「發射。宇宙射線被噴流加速，逃離的高能射線與AGN周圍的環境相互作用，產生了高能中微子和伽瑪射線。| 圖片來源：Kanoko Horio

基於該模型的推測，方可和Murase模擬了這些來自AGN的宇宙射線是如何在星系團和外太空傳播的，以及計算出了通過粒子對撞產生的中微子和伽瑪射線的數量。令他們驚喜的是，模擬的結果和已有的觀測數據相符。他們的結果即解釋了極高能宇宙射線的光譜和成分，也解釋了一些地面實驗發現的未解釋的現象。

當然，仍有其它的可能機制可以產生這些高能粒子，以及一些新的謎題需要被解釋，包括冰立方中微子天文台所觀測到的能量較低（千萬兆電子伏特範圍）的中微子。

這個新模型有望激發對星系團和星系群的研究，以及發展其它的高能宇宙粒子的統一模型。下一代的粒子探測器（比如冰立方-2代、KM3Net、GRAND、下一代伽瑪射線望遠鏡、以及切倫科夫望遠鏡陣列）將對該模型進行嚴格的驗證。

文章作者表示：「多信使粒子天體物理學的黃金時代才剛剛開始。現在，我們可以從不同類型的宇宙信使中得到的所有信息，都對揭示高能宇宙粒子的物理和理解宇宙深層奧秘至關重要。」

特別鳴謝：感謝論文第一作者方可博士對本文提出的寶貴意見。

參考來源：

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

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

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