——重力透鏡效應揭示約110億年前劇烈恆星形成活動與微中子的關聯——

——將研究團隊長期推動的 ALMA 高能宇宙研究，拓展至宇宙微中子起源探索——

本研究概念圖

圖1：本研究概念圖
在南極 IceCube 微中子觀測站偵測到的高能微中子事件 IC 210922A 的到達方向上，研究團隊發現了一個被塵埃包覆的遙遠恆星形成星系「Shadow Blaster」。這個星系存在於約110億年前、宇宙恆星形成最活躍的時期，並因重力透鏡效應而被放大，讓阿爾瑪望遠鏡能夠觀測到其多個影像。插圖顯示阿爾瑪望遠鏡實際取得的次毫米波影像。研究團隊將此星系視為高能微中子事件 IC 210922A 的有力來源候選天體，並進一步加以研究。
Credit: MITOS / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

國際研究團隊在南極 IceCube 微中子觀測站所偵測到的高能微中子事件 IC 210922A 的到達方向上，發現了一個受到重力透鏡效應放大而顯得格外明亮的遙遠恆星形成星系 JCMT0402−0424。這個星系被厚重塵埃深深包覆，在可見光波段幾乎看不見，卻在次毫米波段異常明亮，因此被暱稱為「Shadow Blaster」。

透過阿爾瑪望遠鏡（ALMA）的高解析度觀測，研究團隊發現 Shadow Blaster 是一個存在於約110億年前、宇宙恆星形成最活躍時期「宇宙正午」（Cosmic Noon）的緻密劇烈恆星形成星系。進一步分析受到重力透鏡放大的影像後，團隊也確認在這個星系中心，存在一個由大量氣體與塵埃高度集中而成的緻密恆星形成核心。

在這樣的高密度環境中，高能粒子，也就是宇宙線，可能會反覆與氣體碰撞，進而有效產生微中子。本研究顯示，過去高能微中子的起源多半被認為與黑洞噴流或活動星系核有關，但遙遠宇宙中大量被塵埃遮蔽的恆星形成星系，也可能對高能微中子的產生具有重要貢獻。

本研究成果以論文 「Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos」 發表於英國科學期刊 Nature Astronomy。論文 DOI 為 10.1038/s41550-026-02884-9。

1. 高能微中子起源：仍未解開的宇宙謎題

微中子是不帶電、幾乎不與物質發生反應的基本粒子。因此，來自遙遠宇宙的微中子幾乎可以沿直線抵達地球，被視為探索高能宇宙現象的一種全新「信使」。

IceCube 微中子觀測站是在南極冰層深處建造的大型微中子觀測裝置，內部埋設了大量光感測器。IceCube 已經偵測到許多來自宇宙的高能微中子，但要確認這些微中子的來源，一直是天文學上的重大挑戰。

至今，科學家已經報告了幾個高能微中子來源候選天體，例如耀變體 TXS 0506+056，以及活動星系 NGC 1068。然而，這些已知天體仍無法解釋 IceCube 所觀測到、來自整個宇宙的瀰漫高能微中子背景。因此，天文學家推測，宇宙中可能還存在大量尚未被發現的微中子來源。

其中一類重要候選，就是存在於遙遠宇宙、被塵埃包覆的恆星形成星系。

2. 宇宙正午時期，被塵埃隱藏的巨大恆星形成活動

在宇宙誕生後數十億年、距今約100億到110億年前，整個宇宙的恆星形成活動達到高峰。這個時期被稱為「宇宙正午」。

在這個時代，宇宙中存在許多含有大量氣體與塵埃、正在劇烈形成恆星的星系。這些星系中，超新星爆炸與強烈恆星形成活動被認為會產生大量宇宙線。當宇宙線與星系內部的濃密氣體碰撞時，便可能透過次級粒子的產生過程生成微中子。

理論上，這類恆星形成星系長久以來都被認為可能對高能微中子背景有所貢獻。然而，這些星系距離極為遙遠，又常被厚重塵埃遮蔽，因此要取得能夠將單一微中子事件與個別星系直接連結起來的觀測證據，一直非常困難。

3. 在 IC 210922A 的到達方向上發現「Shadow Blaster」

2021年9月22日，IceCube 偵測到高能微中子事件 IC 210922A。這項警報發布後，世界各地的望遠鏡立即對其到達方向展開追蹤觀測，尋找可能對應的天體。

研究團隊使用詹姆士・克拉克・麥克斯韋望遠鏡（JCMT）與次毫米波陣列（SMA）進行追蹤觀測，發現了一個在次毫米波段非常明亮的天體 JCMT0402−0424。隨後，阿爾瑪望遠鏡的高解析度觀測進一步顯示，這個天體其實是一個受到重力透鏡效應影響的遙遠恆星形成星系。

所謂重力透鏡，是指前景的大質量星系彎曲周圍時空，使背景遙遠天體的光線被放大、拉伸，甚至分裂成多個影像的現象。在本研究中，Shadow Blaster 的光受到前景星系的重力影響而彎曲，因此在阿爾瑪望遠鏡影像中呈現為多個弧狀影像。

也就是說，這個天然的「宇宙望遠鏡」讓研究團隊得以詳細觀察一個通常過於遙遠、難以解析的塵埃星系，並深入研究其約110億年前的內部結構。

北雙子望遠鏡與 ALMA 觀測到的 Shadow Blaster

圖2：北雙子望遠鏡與 ALMA 觀測到的「Shadow Blaster」
左圖為北雙子望遠鏡取得的可見光影像，中圖為北雙子望遠鏡與阿爾瑪望遠鏡的合成影像，右圖為阿爾瑪望遠鏡取得的次毫米波影像。Shadow Blaster 的光受到前景星系的重力透鏡效應影響而彎曲，因此被觀測為多個弧狀影像。這個天體在可見光中因塵埃遮蔽而不明顯，卻在次毫米波中非常明亮，顯示它是一個被塵埃包覆、正在進行劇烈恆星形成的星系。
Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Image Processing: T. A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), D. de Martin & M. Zamani (NSF NOIRLab)

4. 主角不是黑洞，而是劇烈的恆星形成？

對於如此強大的能量來源，最直覺的解釋通常會是活動星系核，也就是超大質量黑洞正在吞噬周圍物質所釋放出的能量。事實上，過去被報告與高能微中子有關的天體，也包括具有強大噴流的活動星系，以及潮汐瓦解事件這類高能暫現現象。

然而，在 Shadow Blaster 中，研究團隊並沒有發現強大活動星系核常見的明亮 X 射線或伽馬射線輻射。此外，透過阿爾瑪望遠鏡觀測一氧化碳分子氣體的激發狀態，也就是 CO 光譜線能量分布，研究團隊並未找到明確證據顯示氣體加熱主要由黑洞活動主導。

相反地，觀測結果指出，這個星系中有大量氣體與塵埃集中在非常緻密的區域內，並正在進行劇烈的恆星形成。分析顯示，其中心區域存在一個直徑約1500光年的緻密恆星形成核心。

在這樣的環境中，宇宙線不容易立刻逃離星系，而是更可能反覆與濃密氣體碰撞。因此，整個星系可能像一個「宇宙線量熱器」一樣，有效地將宇宙線能量轉化為高能微中子。

5. 以 ALMA 探索高能宇宙：研究團隊過去的成果

本研究延續了研究團隊長期推動的方向：利用 ALMA 探索高能宇宙現象中，受到塵埃遮蔽或其他波段難以看見的「現場」。過去，研究團隊曾透過 ALMA 觀測特殊爆發現象 AT2018cow，以及伽馬射線爆發餘暉的毫米波與次毫米波輻射，特別是偏振觀測，來研究高能粒子在何種環境中被加速。

AT2018cow 是一種非常特殊的爆發現象，其亮度上升速度比一般超新星更快，並展現強烈的電波與毫米波輻射。ALMA 的觀測指出，這場爆發可能發生在具有濃密周圍物質與強磁場的環境中，為理解可見光觀測難以揭示的爆發現場物理條件提供了關鍵線索。

另一方面，伽馬射線爆發餘暉的毫米波與次毫米波偏振觀測，能夠探測爆發後衝擊波中的磁場排列程度，以及粒子加速的物理機制。這些研究顯示，ALMA 不只是觀測遙遠天體的高靈敏度望遠鏡，更是診斷宇宙極端現象中磁場、密度結構與緻密輻射區域的重要工具。

本研究則將這些方法與經驗進一步拓展到高能微中子的追蹤觀測。換句話說，研究團隊不只觀測爆發天體本身，而是更進一步利用 ALMA 檢視一個可能產生微中子的遙遠塵埃星系內部結構。

6. 將微中子天文學從近鄰宇宙推向遙遠宇宙

本研究的重要性主要有三點。

第一，Shadow Blaster 並不是傳統上常被討論的耀變體這類明亮噴流天體。它在 X 射線與伽馬射線波段並不顯眼，而是一個被厚重塵埃遮蔽的恆星形成星系。這表示高能微中子不一定只能由強大的黑洞噴流產生，也可能來自劇烈的恆星形成活動。

第二，這個天體位於約110億年前的宇宙，也就是恆星形成最活躍的「宇宙正午」時期。如果這類星系確實能夠產生微中子，那麼微中子天文學將不再只限於研究近鄰宇宙中的活動星系，也可能成為探索星系形成高峰期、被塵埃隱藏的星系演化過程的新方法。

第三，即使單一恆星形成星系所產生的微中子訊號很微弱，類似 Shadow Blaster 的星系在遙遠宇宙中可能非常普遍。研究團隊的分析顯示，這類緻密、被塵埃包覆的恆星形成星系族群，最多可能貢獻 IceCube 所觀測到高能微中子背景的約20%。

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本研究成果以論文 「Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos」 發表於 Nature Astronomy。

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浦田裕次
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