[论文解读] Astrophysics Uniquely Enabled by Observations of High-Energy Cosmic Neutrinos

M. Ackermann, M. Ahlers+17 more|Research at the University of Copenhagen (University of Copenhagen)|Mar 11, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用 47

一句话总结

论文认为高能中微子天文学独特地探测最具能量的非热源，概述科学目标、观测站需求，以及多信使观测活动在识别和表征宇宙加速器方面的前景。

ABSTRACT

High-energy cosmic neutrinos carry unique information about the most energetic non-thermal sources in the Universe. This white paper describes the outstanding astrophysics questions that neutrino astronomy can address in the coming decade. A companion white paper discusses how the observation of cosmic neutrinos can address open questions in fundamental physics. Detailed measurements of the diffuse neutrino flux, measurements of neutrinos from point sources, and multi-messenger observations with neutrinos will enable the discovery and characterization of the most energetic sources in the Universe.

研究动机与目标

• 将中微子天文学确立为直接探测宇宙中最具能量的非热源的手段。
• 概述对弥漫型与点源中微子通量的详细测量如何实现源的发现与环境表征。
• 突出多信使观测（光子、宇宙射线、引力波）在识别和理解中微子源中的作用。
• 描述在未来十年推动该科学的发展所需的观测需求，以及分阶段、多观测站的覆盖方式。

提出的方法

• 提倡使用低背景的大型探测阵列以测量中微子通量密度和空间分布。
• 强调亚度等级的指向分辨率以进行源目录相关以及对每个味的通量进行味特异性测量。
• 促进实时警报和多信使协调，以实现中微子触发的后续观测。
• 建议采用分阶段、多观测站的方式，具有互补的天空覆盖与探测机制以互相印证结果。
• 利用中微子、伽玛射线和宇宙射线之间的相关性来约束源模型和强子加速情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些人群与环境负责 IceCube 观测到的弥漫高能中微子通量？
• RQ2 中微子观测，尤其在与伽玛射线或引力波同时发生时，能否识别并表征最具能量的宇宙加速器的源？
• RQ3 中微子味比与每味通量如何揭示天体物理源的中微子产生机制？
• RQ4 弥漫中微子通量与瞬时源（如 GRBs、TDEs 与喷注驱动的超新星）之间的联系是什么？
• RQ5 发现并解析单个中微子点源需要什么水平的观测灵敏度和天空覆盖？

主要发现

• 天体物理中微子已在 10 TeV 至 10 PeV 范围内被观测到，表明存在需要进一步源识别的宇宙通量。
• 来自 TXS 0506+056 的中微子与伽玛射线同时观测提供了一个星系外中微子源的证据，但弥漫通量的相当大一部分尚未能从已知的耀变源中分辨。
• 经过广泛观测后，尚未确立中微子点源，这意味着存在一群弱星系外源；需要多信使观测活动和改进的探测器来揭示这些源。
• 对中微子通量和味组成的精确测量，结合实时多信使警报，将有助于定位并表征高能中微子源。
• 中微子、伽玛射线和宇宙射线之间的多信使相关性可以检验宇宙粒子产生的统一模型并约束源环境。）