世界首次!通过中微子和γ射线确定宇宙天体

海洋 · 宇宙 2018年07月24日
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研究成果的要点

人类宇宙观测史上首次从宇宙中微子的到来方向,通过γ射线天体辐射宇宙中微子及其母粒子宇宙射线,观测到了强γ(伽马)射线辐射天体TXS 0506+056。

为确定始终是个谜团的宇宙中微子辐射源天体,全球的观测设施根据检测到的宇宙中微子的到来方向等信息,实施了被称为“多信使观测”的追踪观测,由此成功获得了此次的成果。

另外,通过对以往的冰立方(IceCube)观测数据重新进行解析,确认了来自同一天体方向的大量中微子,经独立验证确认,这是一个高能中微子辐射天体。

上述成果被整理成两篇论文发表在《科学》杂志上,论文题目分别是“Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A”和“Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert”。

微子和γ射线确定宇宙天体

研究内容与成果

研究人员2012年发现了从宇宙中飞来的高能中微子,这一发现成为揭开超高能宇宙射线起源这一谜团的突破口。不过,此前一直未能确定中微子辐射源天体。

此次利用中微子速报系统开发了进行“多信使观测”的新方法。这种方法把通过南极点的冰立方实验检测到的高能宇宙中微子作为独特的警报(速报值),利用全球的天文设施对其到来方向进行追踪观测,由此确定辐射源。以千叶大学的研发小组为中心开发了实时确定宇宙中微子现象的算法,该系统于2016年4月开始投入使用。

微子和γ射线确定宇宙天体

图1 2017年9月23日(日本时间)检测到的中微子现象IceCube-170922A。

水平穿过IceCube检测容积内的轨道型,在易于了解到来方向等有利条件下检测到。

日本时间2017年9月23日清晨5时54分,宇宙中微子实时解析系统检测到了高能宇宙中微子现象。这次的中微子现象被命名为IceCube-170922A,在能高精度推测其到来方向等有利条件下检测到了该现象。中微子速报系统将该现象的信息即时发送到全球各地,各个天体观测设施进行了追踪观测。

收到该速报后,日本广岛大学的Kanata望远镜在检测到中微子现象20小时后开始观测,发现中微子到来方向的耀变体TXS 0506+056在可见光区域增加了光的亮度(以下简称增光)。

广岛大学Fermi-γ射线卫星观测小组根据这个信息解析了Fermi-LAT的观测数据,发现以远远高于平时的亮度辐射了γ射线(图2)。中央有巨大黑洞的耀变体(BL-Lac型)TXS 0506+056是已知天体,已在Fermi-LAT Source Catalog公开。该天体的活动从2017年4月开始变得活跃,以平时最大约6倍的亮度辐射γ射线。IceCube-170922A正是在该γ射线辐射的活跃期检测到的。

另外,通过能检测更高能量γ射线的大气伽玛切伦科夫成像望远镜(MAGIC)进行观测,检测到了能量非常高、超过该天体100GeV的γ射线。史上首次同时观测到了方向和时间都与冰立方检测到的高能中微子现象同步的超高能γ射线辐射。

微子和γ射线确定宇宙天体

(图2)利用Fermi-LAT和MAGIC对IceCube-170922A中微子现象的方向进行观测的结果。

(A)是通过Fermi-LAT观测在IC170922A的到来方向发现的耀变体TXS0506-056。茶色标记是最初的速报显示的IC170922A的位置,绿色标记是之后发布的体现详细解析结果的速报显示的位置。

(B)的MAGIC观测结果也确认了相同的结果。

针对观测到中微子和γ射线增光的现象或许是偶然的假设,此次特地验证了统计显著性,结果显示出4σ(西格玛)的显著度。偶然发生的概率约为0.003%。此外,还对以往的冰立方观测数据重新进行了调查,并详细解析了该天体方向的观测数据,在以2014年12月16日为中心的大约160天里,确认了来自该天体方向的、远远超过背景现象数量的中微子现象(图3)。

微子和γ射线确定宇宙天体

(图3)表示中微子现象显著性的空间分布。+标记表示耀变体TXS 0506+056的方向。

研究的意义与未来展望

此次的研究成果为解明超高能宇宙射线辐射机理迈出了重要的一步。产生中微子现象的质子能量达到PeV以上。也就是说此次首次明确,该天体是超高能宇宙射线辐射天体(PeVatron),位于猎户座左肩位置的TXS 0506+056,是宇宙中最激烈的现象——超高能宇宙射线加速的现场。

此次的观测结果证明了中微子速报系统及包括中微子在内的多信使观测方法的有效性。我们将进一步强化该观测系统,并进一步加深与全球各地的观测设施的联动,构筑能够更加准确、迅速地确定起源天体的机制。

另外,通过2018年度启动的冰立方实验的升级计划提高作为信息来源的宇宙中微子的检测灵敏度与精度,提高现象检测数量,可进一步查明超高能辐射机理。

文 客观日本编辑部

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