立場新聞 Stand News

恒星被黑洞吞噬產生的幽靈粒子

2021/2/23 — 15:20

圖片來源:DESY, Science Communication Lab

圖片來源:DESY, Science Communication Lab

作者為台灣國立清華大學天文研究所特聘教授江國興

天文學家利用在南極的探測器及一系列在地面及太空的望遠鏡首次在一顆被黑洞撕裂的恆星捕獲微中子。這是天文學家史上第二次偵測到來自銀河系以外的微中子,由德國電子同步加速器研究中心 (DESY) 的博士生 Robert Stein 領導的國際團隊於 2021 年 2 月 22 日在頂尖學術期刊《自然天文學》發表這個重要成果

微中子是基本粒子,數量遠遠超過宇宙中的所有原子,每秒就有數以兆計的微中子通過我們的身體,但它們很少與其他物質發生相互作用,所以不容易被偵測到,被喻為幽靈粒子。高能微中子的能量比地球上最強大的粒子對撞器產生的能量高 1,000 倍,因此天文物理學家對高能微中子特別感興趣。他們認為宇宙中最極端的事件,例如劇烈的星體爆發,會使粒子加速到接近光速的速度。這些粒子然後與光或其他粒子碰撞以生成高能微中子。2018 年,天文學家首次發現在一個耀變星體 (Blazar) 所產生的高能微中子。

廣告

當不幸的恆星離星系中心的黑洞太近時,重力產生強烈的潮汐,會將恆星扯裂,這種罕見的災難性事件被稱為潮汐破壞事件 (Tidal disruption event) 。在吞噬過程中,有大約一半的恆星碎片會透過吸積盤旋入黑洞裡,一道耀眼的光芒將整個星系照亮。在某些情況下,黑洞會發射快速移動的粒子流。科學家認為潮汐破壞事件會在這種粒子噴流中產生高能微中子,他們還期望這些事件將在其演化的早期在極亮時產生微中子。

這次潮汐破壞事件所產生的強光於 2019 年 4 月 9 日由「史維基瞬變設備」 (Zwicky Transient Facility, ZTF) 發現, ZTF 是位於加州理工學院的帕洛馬山天文台的 1.3 米口徑自動望遠鏡,國立清華大學和國立中央大學是創始成員之一。ZTF 擁有一台超廣角的相機,可以在三晚的時間內掃描整個天空並進行自動檢查,從而發現更多瞬變天體。這個稱為 AT2019dsg 的潮汐破壞事件發生在距地球7億光年遠的一個名為 2MASX J20570298 + 1412165 的星系中,該星系位於海豚星座,星系中央有一個超大質量黑洞,質量為太陽的 3 千萬倍。由於潮汐破壞事件為罕見天文現象,全球多個天文台攜手合作進行後續多波段(伽瑪射線、X 光、紫外線、可見光和電波)觀測與研究。

廣告

AT2019dsg 的極亮時刻在 5 月出現,但天文學家沒有看到清晰的噴流,這起事件看起來不像是微中子的候選者。然而,在半年後的 10 月 1 日,美國國家科學基金會位於南極洲的阿蒙森 - 斯科特南極觀測站的冰立方微中子天文台 (IceCube Neutrino Observatory) 捕獲到一顆名為 IC191001A 的高能微中子,並沿其軌跡回溯到了天空中的位置。大約七個小時後,ZTF透過交叉分析確認在四月發現的 AT2019dsg 也在相同的天區。經分析後, Robert Stein 和他的團隊認為這次潮汐破壞事件與捕獲的微中子僅是巧合的機會只有 500 分之一。透過後續的多波段聯合觀測,促使天文物理學家重新思考潮汐破壞事件如何產生高能微中子。

Robert Stein表示:「這是與潮汐破壞事件相關的第一顆微中子,潮汐破壞事件尚有許多未解的謎團,而微中子顯示在吸積盤中心有一個強大的引擎,射出高速的粒子。結合電波、可見光、紫外線和X光望遠鏡的觀測數據,我們確認潮汐破壞事件能充當巨大的粒子加速器。」

AT2019dsg 是為數不多的已知有 X 光輻射的潮汐破壞事件之一。科學家認為X光可能來自黑洞附近、吸積盤內部,或高速粒子噴流。研究團隊成員之一,國立清華大學天文研究所特聘教授江國興參與這次潮汐破壞事件的 X 光數據分析。江教授表示:「 AT2019dsg 的 X 光以前所未有的速度衰減,因研究小組沒有看到強大的噴流,這暗示吸積盤以高速冷卻,或X光被逐漸增加的外圍氣體迅速吸收。」

論文的第二作者荷蘭萊頓大學助理教授 Sjoert van Velzen 說:「當我們發現 ZTF 所找到的第二明亮潮汐破壞事件是高能微中子的來源,我們非常激動。」

江教授說明:「雖然微中子像幽靈,但由於微中子幾乎不與任何物質有相互作用,所以每一顆來自宇宙深處的微中子都帶著其宿主星體的重要信息。只要搭配其他電磁波或重力波的觀測,我們可以更全面了解產生高能微中子的物理機制及追溯其來源。」

ZTF計畫約一半經費由美國國家科學基金會提供,另一半則由加州理工學院領導的國際合作團隊所分擔,中央大學及清華大學透過科技部補助組成的「探高」團隊是國際合作成員之一。

當超大質量的黑洞將恆星撕裂之後,大約一半的恆星碎片被拋到太空,而其餘的則在黑洞周圍形成發光的吸積盤。 該系統在不同波段發出明亮的光芒,並可能產生垂直於吸積盤的高能噴流狀向外物質流。吸積盤附近的中央強大引擎同時射出高能微中子。

原文刊於國立清華大學天文研究所

發表意見