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2016-2-6

PKS B1424-418:伴有成协特高能中微子的爆发耀变体?

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 3:44 pm

自2010年5月投入运营以来,坐落在南极点的巨型中微子探测器IceCube已经记录下了多起PeV(1015电子伏特)甚至能量更高的中微子事件,由此引发了研究者对此类特高能粒子起源的探讨。不过由于中微子探测器的定位能力很差,这方面相关的进展一直比较缓慢。最近的一项工作第一次声称,IceCube探测到的第三个PeV中微子事件(简称IC 35,绰号“大鸟”,这里的IC并非“索引星表”,只是IceCube事件的前缀)无论在时间还是方向上都与一个耀变体PKS B1424-418的大规模耀发相吻合,第一次实现了特高能中微子起源的初步判断。

其实活动星系核的特大质量黑洞可以在100 TeV以上的能段产生高于地球大气本底的中微子流量早已有预言。如果认为特高能光子与中微子都源自被黑洞相对论性喷流加速的质子,那么尽管先前的探测都不能分辨出某个事件具体的来源,天空中所有耀变体的族群也还是足以解释观测到的特高能中微子流量和分布的。在这样的过程中,喷流中的加速质子与黑洞吸积盘发出的低能种子光子相互作用,形成π介子,π介子再衰变为中微子与高能光子。倘或低能种子光子来自耀变体(确切地说是平谱射电类星体这个子类)常见的紫外鼓包成分,那么对应的衰变中微子峰值即可达到PeV量级。这样如果能够判定某个特高能中微子事件的具体起源,它最重要的意义在于,耀变体的重子衰变辐射机制由此就得到了直接论证,另外喷流作为宇宙线加速器一说也具备了佐证。

IC 35这个事件的能量是现在IceCube的探测之最,达到了2 PeV。它是在2012年12月4日(也是IceCube运行的第三年)抵达地球的,IceCube为其确定的来源是南天的赤经208.4度,赤纬-55.8度,但存在15.9度的较大误差。根据费米卫星大面积望远镜的第二版伽玛源表,在这样一个天区内,至少存在20个伽玛射线明亮的活动星系核,其中有17个属于耀变体,另有两个射电星系与一个星暴星系。这里最著名也是最明亮的源是FR I型射电星系半人马A,它有着椭圆的外观与拦腰穿过的尘埃带。但鉴于其特高能辐射强度较弱,所以不太可能成为显著的PeV中微子源。

NGC 5128,它的射电辐射主要集中于星系两侧的大尺度射电瓣中。(图片提供:AURA/NOAO/NSF)

而在耀变体中最为明亮的要数红移1.522处的平谱射电类星体PKS B1424-418了。这个源的伽玛射线辐射高度可变,在2008年费米升空之初还只是将将可见,后来在2009年到2011年间就因为两场耀发而跻身伽玛亮源之列。不过总的来说,在2008年到2011年间,它的高能亮度并不很强,甚至先前的研究者一度将它排除在了PeV中微子起源之外。

不过2012年夏,PKS B1424-418再度发生大规模伽玛射线耀发,并且由此带来了一系列跨越一年有余的长时间增亮,期间其高能流量较费米第二伽玛源表的测量值提升了15到30倍,摇身变为全天最亮的河外伽玛源。IC 35事件恰好就是在这个耀变体大幅度增亮时发生的

费米大面积望远镜测量的PKS B1424-418伽玛射线光变曲线,IC 35对应的时间以红线标出。灰色和蓝色区域覆盖了IceCube前3年的观测时间。(图片来源:Kadler et al. 2016

与PKS B1424-418的高能增亮相伴而来的是从射电到X射线的多波段增亮。南天的多波段监测计划TANAMI监测着赤纬位于-30度以南的伽玛射线活动星系核,它就通过VLBI测量记录下了几年里这个耀变体核心的亮度变化。如下图所示,从2011年11月到2013年3月,PKS B1424-418的射电核辐射强度稳步上升,流量变化将近有4倍。自2007年TANAMI计划启动以来,其相关研究者还没有看到过哪个活动星系核表现出过如此惊人的巨变。这样看来,把IC 35这个PeV中微子归结为这样一个大幅增亮的伽玛源,也还很合乎逻辑。

2011年到2013年间PKS B1424-418的8.4 GHz频段VLBI影像。(图片来源:Kadler et al. 2016

不过来自这个耀变体的中微子辐射与探测率是否相符?在最乐观情况下,在IceCube三年的运行时间里,来自全天所有耀变体的PeV中微子最多可以达到300余个,比实际情况多了两个数量级。所谓乐观,指的是假设反应过程只生成了电子中微子,所有耀变体皆具备吸积盘提供的强烈紫外辐射场,而且中微子谱会在PeV能段存在尖峰。真实情况当然不会这样理想,计入所有改正后,IceCube理应在3年内发现4个这样的中微子,只比实际略多,还是说得过去的。

针对PKS B1424-418自身,在2012年7月耀发开始之时到IceCube前三年的观测于2013年4月底结束之日,其中微子的生成率也提升了一个量级以上,因此探测相关中微子事件的概率显著增加,预计应该探测到0.11个左右来自耀发的PeV中微子,这一数字高过了探测来自视场中所有其他已知伽玛射线活动星系核的概率之和。再考虑耀发与中微子事件时间重合纯系偶然的概率只有5%,所以IC 35最有可能是来自PKS B1424-418的。

PKS B1424-418的伽玛射线能谱,其中红线表示最强烈的耀发,浅紫色表示2010年的短暂耀发能谱,深蓝色表示根据IceCube三年的观测预言的能谱,黄色表示费米第二伽玛源编纂期间测得的能谱。(图片来源:Kadler et al. 2016

更进一步,前面说到的15.9度定位误差严格来说应该表示该中微子有一半的概率来自以给定赤经赤纬为中心、误差为半径的天区之内,但也有一半的概率来自天区之外。如果探讨来自某个源的中微子,理应选取更大的天区进行考察。而两个能量在数十TeV的中微子事件——IC 16与IC 25也与PKS B1424-418相距不算远,只有20余度,它们可能代表了爆发期间产生的较低能中微子成分。不大妙的是定位精度更好的中微子探测器ANTARES并没有在PKS B1424-418的附近区域发现超出的中微子流量,因此这次耀发不太会生成能谱较陡的中微子谱。

PeV中微子产生率与PKS B1424-418耀发相当的活动星系核并不多,只有PKS B1510-089与3C 454.3这两个平谱射电类星体,还有存在引力透镜的耀变体PKS B1830-211,所以这部分解释了其他耀变体耀发期间并无成协中微子探测的原因。早年也有人对另两个PeV中微子事件IC 14与20进行过耀变体耀发的匹配,前者还算找到了一些眉目,但后者的来源仍旧不能判定。也许由于还有相当一部分耀变体尚未被解析为点源,某些特高能中微子源自这些仍旧未知的活动星系核也说不定。

这次的PKS B1424-418与IC 35成协仍有5%左右的不确定度,并不能完全排除巧合的可能性。如果未来可以找到更多耀变体耀发与中微子生成相关的事例,着实证认二者的联系,那么除了能够对活动星系核与黑洞研究带来新知之外,中微子的速度与质量也能够得到更好的限定。举例来说,如果假设这次的成协成立,那么根据两种信号的最大时间延迟,中微子的速度与光速之差不会大于10-11的量级,要比先前使用SN 1987A中微子得到的结果好很多。

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