IceCube偵測到的最高能量幽靈粒子來自一個被塵埃遮蔽的恆星工廠

微中子可以穿透一光年厚的鉛而不與任何一個原子發生碰撞。當它抵達冰立方——這座位於南極冰層下、體積達一立方公里的偵測器時——會留下一道僅持續數奈秒的微弱藍色閃光，足以記錄其方向和能量。2021年9月22日，抵達的這顆微中子攜帶了750兆電子伏特的能量。這大約是肉眼可見光光子能量的一千億倍，遠超地球上任何粒子加速器所能產生的能量。

那道閃光指向波江座的方向。多個研究團隊隨即將望遠鏡轉向同一片天區，搜尋伽瑪射線、X射線、可見光——這是冰立方捕捉到極端事件時標準的後續觀測工具組。他們一無所獲。沒有發現耀變體，沒有活躍黑洞，沒有類星體，任何類型已知來源都沒有。那片天空看似空空如也。

這顆微中子被編目為IC 210922A後存檔。將近四年，它的來源始終未能確定。

所有望遠鏡都錯過的星系

台灣美特光學科學的浦田裕次對該搜尋什麼有不同的想法。微中子能穿透塵埃——它們幾乎能穿透一切。但光線不行。如果微中子的來源深埋在密度足夠高的氣體與塵埃雲中，那麼所有光學和X射線望遠鏡都只會錯過它。解決方案是使用能穿透塵埃的波長進行觀測的望遠鏡：無線電波望遠鏡。

浦田的團隊將ALMA——位於智利的阿塔卡瑪大型毫米/次毫米陣列——指向同一片天區。他們發現了JCMT0402−0424，一個在其他所有搜尋中都隱而未現的星系。它的綽號很快被定為「暗影爆擊者」。

暗影爆擊者位於紅移2.988處。它的光在110億年前發出，當時宇宙約28億歲——天文學家稱之為「宇宙正午」的時代，當時全宇宙的星系正以宇宙史上最高速率組裝恆星。暗影爆擊者更是以特別猛烈的速度進行，在其僅1700光年寬的緻密核心中，每年產生數百個太陽質量的新生恆星。一個前景星系充當重力透鏡，彎曲空間，產生暗影爆擊者的多個明亮影像，讓ALMA得以重建其內部結構，達到在此距離下其他觀測方式不可能實現的細節。

暗影爆擊者純屬巧合出現在冰立方定位區域的機率是1%或更低。

恆星，而非黑洞

關於冰立方最高能量微中子來源的主流理論指向耀變體：那些超大質量黑洞恰好指向地球、並以強大的噴流射出加速物質的星系，將巨大能量注入太空。邏輯很簡單：要產生750兆電子伏特的粒子，需要極端的能量源，而沒有什麼比黑洞以最高效率吞噬物質更為極端。

暗影爆擊者沒有偵測到活躍黑洞。它的能量來自恆星——更精確地說，來自恆星以驚人速率誕生與死亡所產生的後果。在緻密的恆星形成區，超新星震波將質子和較重的原子核加速到接近光速。當這些宇宙射線猛烈撞擊周圍氣體時，碰撞級聯過程會產生π介子，後者衰變成微中子。氣體庫愈緻密、愈緊湊，碰撞次數就愈多，逃逸的微中子也就愈多。

關於緻密星暴星系可能是主要微中子來源的理論，在學術論文中已存在數十年。暗影爆擊者是第一個將這項預測從理論變為實際偵測的個別星系。

浦田表示，暗影爆擊者「擁有理論模型長期以來認為能有效產生高能微中子所必須的那種緻密、富含氣體的環境」。美國國家科學基金會的馬丁·斯蒂爾在評論這項結果時強調，多信使天文學——結合不同類型天文台的訊號——正開啟「前所未有的細節」，這是任何單一望遠鏡都無法達成的。

恆星可能占冰立方微中子迷霧的五分之一

冰立方並不只捕捉個別高能事件。它還測量從各個方向抵達的瀰散背景微中子——一道來自散布在整個可觀測宇宙中各種來源的幽靈粒子持續迷霧。這道背景訊號一直是高能天體物理學的持久謎題：其強度太大，無法單以耀變體解釋，但其他貢獻來源始終未被確認。

浦田團隊估計，暗影爆擊者這類星系——即宇宙正午時期緻密、被塵埃遮蔽的星暴星系——可能貢獻了那道瀰散微中子背景的15%到20%。宇宙正午正是這類星系最常見的時期，而且它們大多隱藏在塵埃之後，使它們在ALMA之前的巡天觀測中無法被看見。完整的族群數量從未被正確統計。

如果這項貢獻估計成立，那麼找出暗影爆擊者這類星系，或許能解釋冰立方十多年來持續累積、卻無從解釋的大量訊號中的一大部分。

一個數據點不等於一項發現

一個數據點不是一項發現。IC 210922A只是單一事件。1%的巧合機率低於物理學家可宣布確認關聯的門檻——冰立方合作團隊通常要求從同一方向多次相關事件，才能宣稱確認了來源。暗影爆擊者是一個極具吸引力的候選者，機率也很強，但從同一方向尚未出現第二顆微中子。

暗影爆擊者內部的機制也是推論而非直接觀測所得。此論據建立在其環境的性質上——緻密、緊湊、富含氣體、超新星發生率高——而不是偵測到產生這顆微中子能量的特定粒子交互作用。它究竟在星系的哪個部分產生、透過何種碰撞序列產生，目前仍無法確定。

對冰立方背景的15%–20%貢獻率，存在顯著的不確定性。它取決於宇宙正午時期存在多少類似星系、這些星系內部將恆星形成能量轉換為微中子的效率有多高，以及暗影爆擊者在族群中的代表性如何。需要更多確認的關聯事件來約束這項計算。

關於暗影爆擊者與冰立方常見問題

什麼是微中子？為什麼追溯其來源如此困難？

微中子是一種幾乎沒有質量、不帶電荷的次原子粒子。它與普通物質的交互作用極其罕見，每秒有數萬億顆微中子穿過你的身體而不留下任何痕跡。冰立方捕捉的是極少數確實與冰中原子發生交互作用的情況，但即使如此，所記錄的方向仍有一到數度的角度不確定性——也就是一大片天區。在這片天區內，可能出現任何數量的天體。

為什麼花了四年才識別出暗影爆擊者？

因為冰立方事件的一般後續搜尋使用光學、X射線和伽瑪射線望遠鏡——這些都無法穿透塵埃。暗影爆擊者厚重的塵埃包層吸收了所有這類光線，使其在逃出星系前便被吞噬。ALMA以能穿透塵埃的無線電與次毫米波長運作，但針對微中子座標進行專注搜尋塵埃遮蔽天體的ALMA觀測，需要浦田團隊刻意做出選擇，去尋找其他搜尋所遺漏的目標。

什麼是宇宙正午？

大約100億年前，宇宙整體恆星形成速率達到歷史高峰的時期。那個時代的星系尚未耗盡其氣體庫，許多星系的恆星形成速率以今日標準來看極為劇烈。這些星系大多被自身恆星形成所產生的塵埃遮蔽——使得ALMA的無線電觀測成為研究它們的主要工具。

塵埃星暴星系能否解釋冰立方所有的微中子背景？

可能不行。目前的估計是15%–20%——雖然占比可觀，但大部分背景訊號很可能來自多種來源族群的共同作用：耀變體、特定類型的超新星、伽瑪射線爆發以及星暴星系。找到更多個別確認的來源，是唯一能精確釐清各項占比的方法。

這條研究路線接下來會如何發展？

冰立方合作團隊正在擴展搜尋，將高能事件與ALMA對塵埃星暴星系的巡天觀測進行交叉比對。下一代冰立方（IceCube-Gen2）目前正在設計階段，將擴大偵測器並提高方向解析度，縮小每次事件後必須搜尋的天區範圍。研究人員也計劃對下一批極高能微中子展開快速的ALMA後續觀測行動。

2026年6月發表於《自然·天文學》期刊的這項暗影爆擊者偵測結果，開啟了多信使天文學的新篇章：宇宙中能量最強的幽靈粒子並非只在黑洞附近產生。其中一部分來自那些恆星誕生如此迅速、死亡如此猛烈，以至於它們之間氣體都為之燃燒的地方。

參考文獻：Urata et al., “Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02884-9

標籤: 天文學, ALMA, IceCube, multi-messenger astronomy, neutrino, Shadow Blaster