新模型将高能中微子，超高能宇宙射线和高能伽马射线的起源与嵌入其环境中的黑洞射流联系起来。

天体物理学中最大的谜团之一是超高能宇宙射线，高能中微子和高能伽马射线的起源。现在，一个新的理论模型显示，在宇宙射线被来自超大质量黑洞的强大喷流加速后，它们都可能被射入太空。

该模型同时解释了所有三种“宇宙信使”粒子的自然起源，并且是基于详细数值计算的第一种类型的天体物理模型。由宾夕法尼亚州立大学和马里兰大学科学家制作的描述该模型的科学论文将于2018年1月22日在Nature Physics杂志的网站上作为高级在线出版物出版。

“我们的模型显示了一种理解为什么这三种类型的宇宙信使粒子具有令人惊讶的相似数量的宇宙输入功率的方法，尽管事实上它们是通过基于空间和地面的探测器观测到的超过十个数量级。单个粒子能量，“宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学和天体物理学助理教授Kohta Murase说。“非常高能中微子，超高能宇宙射线和高能伽马射线的测量强度大致相当，这一事实让我们想知道这些极具能量的粒子是否有一些物理连接。新模型表明非常高 - 能量中微子和高能伽马射线是通过粒子碰撞自然产生的，作为宇宙射线的子粒子，因此可以继承其母粒子的可比能量预算。它表明三个宇宙信使的类似能量可能不仅仅是巧合。“

超高能宇宙射线是宇宙中最有活力的粒子 - 它们每个都携带的能量太高，即使是世界上最强大的粒子加速器 - 大型强子对撞机也无法产生。中微子是神秘而幽灵般的粒子，几乎不会与物质相互作用。在南极洲的IceCube中微子观测站中发现了能量超过一百万兆电子伏特的极高能中微子。伽玛射线具有最着名的电磁能量 - 费米伽马射线空间望远镜和其他地面观测台观测到的能量比可见光的光子高出十亿倍。“将这三种宇宙信使的所有信息结合起来是互补和相关的，

Murase和这篇新论文的第一作者，马里兰大学博士后助理柯芳试图解释来自高能中微子，超高能宇宙射线和高能伽马射线的最新多信使数据，基于单一但现实的天体物理设置。他们发现，通过使用数值模拟来分析这些带电粒子的命运，可以很好地解释多信使数据。

“在我们的模型中，由强大的活动星系核射流加速的宇宙射线通过射流末端经常发现的无线电波瓣逃逸，”方说。“然后我们在环境磁场的存在下计算宇宙射线在星系团和群内的传播和相互作用。我们进一步模拟宇宙射线在源和地球之间的星系间磁场中的传播和相互作用。最后我们整合来自宇宙中所有来源的贡献。“

半个世纪以来宇宙中能量最高的宇宙粒子起源之谜的主要嫌疑人是在称为“活动星系核”的星系中，它们在中央超大质量黑洞周围有一个超辐射核心区域。一些活跃的星系核伴随着强大的相对论喷流。由喷射器或其环境产生的高能宇宙粒子几乎与光速一样快地射入太空。

“我们的工作表明，超高能宇宙射线从活跃的星系核及其环境如星系团和星团中逸出，可以解释超高能宇宙射线谱和成分。它还可以解释一些由此发现的无法解释的现象。地面实验，“方说。“同时，超过一亿兆电子伏特的高能中微子能谱可以通过宇宙射线与星系团和星团中的气体之间的粒子碰撞来解释。此外，相关的伽马射线发射来自星系团和星系间空间与弥漫性高能伽马射线背景的无法解释的部分相匹配，这与一种特定类型的活动星系核无关。“

“这个模型为进一步尝试建立一个宏大统一的模型铺平了道路，这个模型说明了这三个宇宙信使是如何通过同一类天体物理资源以及高能中微子和伽马射线的共同机制相互物理连接的。制作，“Murase说。“然而，还有其他可能性，需要解释几个新的谜团，包括南极洲IceCube中微子观测站记录的千万兆电子伏特范围内的中微子数据。因此，基于多信使方法的进一步研究 - 将理论与所有三种信使数据相结合 - 对于测试我们的模型至关重要。“

预计新模型将激发对星系团和群的研究，以及其他统一的高能宇宙粒子模型的发展。当使用下一代中微子探测器（如IceCube-Gen2和KM3Net）和下一代伽马射线望远镜切伦科夫望远镜阵列开始观测时，预计将进行严格的测试。

“多信使粒子天体物理学的黄金时代最近才开始，”Murase说。“现在，我们可以从所有不同类型的宇宙信使中学到的所有信息对于揭示关于极端能量宇宙粒子物理学的新知识以及对我们宇宙的更深入了解非常重要。”

该研究得到了国家科学基金会（授权号PHY-1620777）和Alfred P. Sloan基金会的部分支持。