破解「幽靈粒子」身世之謎，重力透鏡尋獲高能微中子新家鄉

地球上的微中子探測器長期偵測到來自宇宙的高能微中子，但它們的來源至今仍未完全釐清。雖然太陽、超新星等天體都會產生微中子，且天文學家也已找到少數能產生高能微中子的天體，但仍不足以解釋觀測到的全部高能微中子，因此推測宇宙中應該還存在其他尚未被確認的重要來源。

最近的研究指出，2021 年由南極冰立方微中子天文台（IceCube Neutrino Observatory）偵測到的高能微中子事件 IC 210922A，很可能來自一個距離地球約 110 億光年的遙遠恆星形成星系 JCMT0402−0424，研究團隊將其暱稱為「影子爆破者」（Shadow Blaster，見首圖）。這項成果提供了迄今最具體的觀測證據之一，顯示遙遠宇宙中劇烈形成恆星的星系，可能是高能微中子的重要來源之一。

微中子是一種不帶電、質量極小且極少與物質發生作用的基本粒子，因此常被稱為「幽靈粒子」。由於它們幾乎不受磁場與物質影響，可以從遙遠宇宙一路穿越星際空間。對天文學家而言，微中子就像穿越宇宙的信使，能從遙遠宇宙攜帶訊息抵達地球，並提供傳統電磁波觀測難以取得的線索，因此成為研究宇宙高能天體現象的重要工具。2021 年 9 月，冰立方微中子天文台發布 IC 210922A 事件警報後，全球天文學家立即展開追蹤觀測，希望找出這顆高能微中子的來源。然而，多個研究團隊皆未在該方向發現可信的伽瑪射線、X 射線或可見光對應天體，也未找到與該事件相關的伽瑪射線暴、超新星或潮汐瓦解事件，使得這顆微中子的來源更加撲朔迷離。

在警報發布數天後，研究團隊利用位於夏威夷毛納基山的馬克斯威次毫米波望遠鏡（JCMT）與次毫米波陣列（SMA）展開觀測，發現了位於微中子定位誤差範圍內的「影子爆破者」。進一步觀測顯示，這是一個被大量塵埃遮蔽的星系，在可見光中並不顯眼，卻在毫米與次毫米波段十分明亮，顯示其中富含大量氣體與塵埃，並正以極高效率形成新恆星。研究團隊隨後利用阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）進一步觀測，發現該星系位於一個強重力透鏡的後方。所謂重力透鏡，是指前景大質量天體利用自身重力彎曲並放大背景天體的光線，如同天然的宇宙放大鏡。透過這種效應，原本過於遙遠且昏暗的「影子爆破者」被放大，使研究團隊得以解析其內部結構。研究團隊也利用北雙子星望遠鏡（Gemini North telescope）研究這個重力透鏡系統，使「影子爆破者」的結構得以更清楚地呈現出來。

▲ 左圖：暱稱為「影子爆破者」（Shadow Blaster）的重力透鏡星系所在區域。該星系距離地球約110億光年，位於影像中央紅色前景星系的後方。中圖：重力透鏡系統的放大影像。中央紅色星系的重力彎曲了後方「影子爆破者」發出的光線，使其形成多個被放大且扭曲的影像，在畫面中呈現為黃色弧狀結構。右圖：受到重力透鏡放大的「影子爆破者」特寫影像。（Source：NOIRLab）

▲ 本動畫示範重力透鏡效應如何將遙遠星系的影像放大並扭曲。畫面中的「影子爆破者」（Shadow Blaster）星系距離地球約110億光年，可能是2021年高能微中子事件 IC 210922A 的來源。影像由阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）與北雙子星望遠鏡（Gemini North telescope）觀測取得。

研究結果顯示，「影子爆破者」中心區域具有極為緻密、富含氣體與塵埃的核心，並正以極高效率形成新恆星。這種富含氣體與塵埃、且恆星形成極為劇烈的環境，可能成為天然粒子加速器，使高能粒子在高密度氣體中不斷碰撞並產生高能微中子。

值得注意的是，研究團隊並未發現該星系具有活躍黑洞的特徵，顯示高能微中子不一定只能來自超大質量黑洞噴流，也可能源自遙遠宇宙中劇烈的恆星形成活動。大約 100 億年前正是宇宙恆星形成最活躍的時期，當時存在大量類似「影子爆破者」的星系，因此這項發現也將高能微中子的起源與宇宙恆星形成高峰期連結起來。研究人員推估，這類富含塵埃且恆星形成旺盛的星系，可能貢獻冰立方微中子天文台所觀測瀰漫高能微中子背景約 20% 的訊號。

這顯示高能微中子不一定只能由超大質量黑洞產生，遙遠宇宙中劇烈形成恆星的星系也可能扮演重要角色，為高能微中子來源之謎提供新的線索。研究近日發表於《Nature Astronomy》（Urata et al. 2026）。