幽灵粒子，也称为中微子，无处不在——数万亿个，每个的质量几乎可以忽略不计，此刻正在穿过你的身体。但我们对这些粒子是如何工作的了解甚少。这绝对是一件憾事，因为它们可能是解释宇宙一些最大谜团的关键，包括为什么存在一个宇宙。
我们在回答这些问题上取得了一大步。在一对周四发表在《科学》杂志上的新论文中，一个由数百名研究人员组成的国际研究团队宣布，他们发现了这些微小、难以捉摸的粒子起源的证据：一种被称为“ Blazar”的巨大、椭圆形星系。这些发现解决了百年以来在确定将中微子等亚原子粒子作为高能宇宙射线射入太空的源头的问题。
“自2013年以来，我们一直在观测宇宙中微子，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、领导了这项新发现的IceCube中微子天文台的首席科学家Francis Halzen说。“我们不知道它们来自哪里。”
这次最新发现的关键在于试图找出中微子可能与其他哪些高能事件相关。这就是多信使天文学的作用：通过多种不同信号研究天体物理事件。例如，如果你想尽可能多地了解一次炸药爆炸，你不会只用手机录音。你会想在不同的光波长上进行观测，录制音频，等等。在天文学中，多信使意味着观测与电磁辐射、引力波、中微子和宇宙射线相关的信号。
“中微子会指向它们的来源，”Halzen说，“所以我们试图将它们的到来方向与已知来源联系起来，包括Blazar。直到我们开始这个多信使的活动，这都没有成功。”
IceCube是一个位于南极一英里冰层下、占地一平方公里的望远镜，自2011年以来一直在运行，并利用其数千个传感器每年观测近10万个中微子。它的明确目的是寻找中微子，无论远近（在这次最新观测中，是非常遥远的）。它是一个追踪基本粒子的强大天文台，但如果我们试图将中微子与其他信号联系起来以找到源头，我们需要向其他仪器寻求帮助。
IceCube配备了一个警报系统，当它探测到极高能中微子时就会发出警报。该警报系统将坐标转发给世界各地的其他望远镜，并告诉它们进行后续观测。
在这项研究中，IceCube于2017年9月22日发现了一个非常高能的中微子事件。美国宇航局（NASA）的费米伽马射线空间望远镜和位于加那利群岛的大气伽马成像切伦科夫望远镜收到了警报，并最终探测到了来自一个名为TXS 0506+056的星系的伽马射线——这是一个Blazar——距离地球约40亿光年，位于猎户座的左上角。费米望远镜从该源探测到的伽马射线活动（其中一些是有史以来最强的）与IceCube发出的中微子坐标高度吻合。
尽管Blazar并不是预期的中微子来源，但当你意识到它们多么符合其听起来邪恶的名字时，它们就变得合理起来。“在活动星系中，超大质量黑洞驱动着两个巨大的喷流，这些喷流从星系向外喷射，携带高能粒子和强大的辐射及磁场，”阿拉巴马大学的物理学家和天文学家、新论文的合著者Marcos Santander解释说。“Blazar是一种活动星系，其中一个喷流正好面向地球的视线，这意味着我们正从‘枪口’方向观察这个喷流。”这种对齐意味着我们可以观察到遍布整个电磁波谱的非常高能的辐射，从无线电波到可见光，再到伽马射线——对于Blazar来说，这些能量峰值是可见光的10万亿倍以上。“沿Blazar喷流的强冲击波已知含有能够产生伽马射线的高能粒子，并可能加速宇宙射线，”他说。
这些喷流负责加速宇宙射线，宇宙射线主要由质子组成。当质子与Blazar或黑洞喷流中的光子和氢相互作用时，它们会产生中微子。“所以，中微子追踪宇宙射线，”Halzen说。“它们形影不离。”
如果我们理解中微子是与宇宙射线同时产生的，那么这意味着它们必须与宇宙射线具有相同的起源。“虽然我们探测到的宇宙射线不会指向它们的来源——因为它们的电荷和路径被磁场扭曲了——但中微子会指向它们被创造的地方，”Halzen说。“中微子使我们能够与大约二十个其他望远镜一起确定这个来源。”
所以这是团队所需的第一份证据。一旦他们知道TXS 0506+056是9月22日中微子探测的来源，研究人员就回顾了大约10年的存档数据，发现在2014年和2015年短时间内，有十几次来自该Blazar的爆发与高能中微子爆发相吻合。这是第二份证据。“这让一切都尘埃落定了，”Halzen说。
当然，这些发现有值得谨慎之处。Blazar长期以来一直是中微子发射的候选来源，但先前试图将中微子与Blazar联系起来的研究并未成功。现在还不完全清楚为什么TXS 0506+056——它甚至不是已知最亮的伽马射线Blazar——符合条件，而其他Blazar却不能。Blazar还不能被 wholesale 地称为中微子工厂。
“我认为我们还没有到能够说‘都是Blazar’的地步，”马里兰大学的物理学家Erik Blaufuss说，他也是这些论文的合著者。“我认为基于一个样本就对所有Blazar得出过于强烈的结论是困难的。我认为这仍然有待确定，这个来源是否有什么特殊之处，还是仅仅是第一个‘探出头来’并且足够亮的中微子，让我们能够看到。”
如果高能活动是解释Blazar为何会发射中微子的关键，那么我们应该很容易从对活动星系核和伽马射线暴的观测中看到类似的结果。如果不是，那就意味着Blazar的运作方式比我们目前所知的要更加特殊和奇特。
即使我们只关注这个Blazar本身，“这当然也不是一个黄金般的发现，”Blaufuss说。科学家通常使用5西格玛阈值来称某个事物为“发现”。而根据Blaufuss的说法，这两篇最新论文的分析都是3西格玛，这表示“证据”，但不一定算是发现。3西格玛的水平仍然意味着你可以很高程度地确信结果不是由于随机机会，但在粒子物理学方面，这种机会仍然会引起疑虑。最好以谨慎的热情来欢迎这些新发现。
目前，团队也只是在享受他们辛勤工作终于得到回报的喜悦。“在一项天文学中最古老、最悬而未决的问题上取得突破是令人兴奋的，”Halzen说。“这正是IceCube的用途。我们的第一个来源是Blazar有点出乎意料，但事实不容争辩。”
