IceCube探测到的最高能量幽灵粒子来自一个被尘埃遮蔽的恒星工厂

一颗中微子可以穿过一光年厚的铅而不触碰任何原子。当它抵达冰立方——这座埋在南极冰层下的立方千米探测器——时，会留下一道持续纳秒的微弱蓝色闪光，足以记录其方向和能量。其中一颗中微子携带的能量高达750万亿电子伏特。这大约是可见光光子能量的1000亿倍，远超地球上任何粒子加速器所能产生的能量。

那道闪光指向波江座方向。多个研究团队立即将望远镜对准同一片天区，搜寻伽马射线、X射线、光学光——这是冰立方捕捉到极端事件时的标准后续观测工具包。他们一无所获。没有耀变体，没有活跃黑洞，没有类星体，没有任何已知类型的源。那片天空看似空无一物。

这颗中微子于2021年9月22日被探测到，编号为IC 210922A，随后被归档。近四年间，它的起源始终未能确认。

所有望远镜都错过的星系

台湾MITOS Science的Yuji Urata对搜寻目标持有不同看法。中微子能穿过尘埃——它们几乎能穿过一切。但光不行。如果中微子的来源藏在一团足够致密的气体与尘埃云中，那么所有光学和X射线望远镜都会错过它。解决方案是使用能够穿透尘埃的波长：射电。

Urata的团队将ALMA——位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列——指向同一片天区。他们发现的是JCMT0402−0424，一个在其他所有搜寻中都不可见的星系。它的绰号很快变成了“暗影爆破者”（Shadow Blaster）。

暗影爆破者位于红移2.988处。它的光在110亿年前出发，当时宇宙大约只有28亿岁——天文学家称之为“宇宙正午”的时期，彼时宇宙各处的星系正以宇宙历史上最高的速率形成恒星。暗影爆破者尤其猛烈，在宽度仅1700光年的致密核心内每年产生数百个太阳质量的新恒星。一个前景星系充当引力透镜，弯曲空间以至于产生暗影爆破者的多个明亮像，让ALMA得以重构其内部结构，而这种精细程度在此距离上原本不可能实现。

暗影爆破者恰好出现在冰立方定位区域内的概率为1%或更低。

恒星，而非黑洞

关于冰立方最高能中微子起源的主导理论指向耀变体：那些超大质量黑洞直指地球、喷出强大加速物质喷流、向太空注入巨大能量的星系。逻辑是：能产生750万亿电子伏特粒子的东西必定需要一个极端源头，而没有什么比以最高效率吞噬物质的黑洞更极端了。

暗影爆破者没有探测到活跃黑洞。它的能量来自恒星——更准确地说，来自恒星以异常速率诞生和死亡所留下的后果。在致密的恒星形成区，超新星激波将质子和更重的原子核加速到接近光速。当这些宇宙线撞击周围气体时，级联碰撞产生π介子，后者衰变为中微子。气体库越致密紧凑，碰撞就越多，逃逸的中微子也越多。

致密星暴星系可能是主要中微子源的理论已在理论论文中存在数十年。暗影爆破者是第一个让这一理论从预言变为物理探测的单独星系。

Urata表示，暗影爆破者“拥有那种致密、富含气体的环境，理论模型早已指出这种环境能高效产生高能中微子”。美国国家科学基金会的Martin Still在评论这一结果时强调，多信使天文学——结合不同类型天文台的信号——正开启“前所未有的细节”，这是任何单一望远镜都无法实现的。

恒星可能贡献冰立方中微子雾的五分之一

冰立方不仅捕捉单个高能事件。它还测量来自所有方向的弥散中微子背景——一颗来自遍布整个可观测宇宙的源的幽灵粒子稳态雾霾。这一背景一直是高能天体物理学中持久的谜题之一：它太大以至于无法仅由耀变体解释，但其他贡献者此前未被识别。

Urata的团队估计，暗影爆破者这类星系——宇宙正午时期致密、尘埃遮蔽的星暴星系——可能贡献了该弥散中微子背景的15%到20%。宇宙正午正是这类星系最普遍的时期，而它们大多隐藏在尘埃之后，使得它们在ALMA之前进行的巡天中不可见。整个族群从未被适当计数过。

如果这一贡献估计成立，那么找到暗影爆破者这类星系或许能解释冰立方在过去十多年里积累而无解释的相当一部分信号。

一个数据点尚不能构成发现

一个数据点不是发现。IC 210922A是单个事件。1%的巧合概率低于物理学家可以宣布确认关联的阈值——冰立方合作组通常要求来自同一方向的多个相关事件才能声称已识别出源。暗影爆破者是一个引人注目的候选者，概率也很强，但尚未有第二颗中微子从同一方向抵达。

暗影爆破者内部的机制也是推断的，而非直接观测。证据基于其环境特性——致密、紧凑、富含气体、超新星率高——而非探测到产生这颗中微子能量的具体粒子相互作用。无法确定它究竟由星系哪一部分、通过何种碰撞序列产生。

对冰立方背景15-20%的贡献存在显著不确定性。它取决于宇宙正午时期存在多少类似星系、它们内部将恒星形成能量转化为中微子的效率有多高，以及暗影爆破者在该族群中具有多大代表性。需要更多确认的关联来约束这一计算。

关于暗影爆破者和冰立方的常见问题

什么是中微子？为什么它这么难追溯回源？

中微子是一种几乎无质量、不带电的亚原子粒子。它与普通物质相互作用极其罕见，每秒有数万亿颗中微子穿过你的身体而不留痕迹。冰立方捕捉到的是少数情况——当中微子与冰中的原子发生相互作用，但即便如此，记录的方向也有1到几度的角不确定性——一片很大的天区。在这片天区内，可能出现任何数量的天体。

为什么花了四年时间才识别出暗影爆破者？

因为冰立方事件的常规后续搜寻使用光学、X射线和伽马射线望远镜——它们都无法穿透尘埃。暗影爆破者的厚尘埃外壳吸收了所有这类光，使其无法逃出星系。ALMA工作在能够穿透尘埃的射电和亚毫米波波段，但Urata团队需要做出一个刻意的选择——去搜寻其他搜寻所遗漏的东西——针对中微子坐标处的尘埃遮蔽天体进行专门的ALMA搜索。

什么是宇宙正午？

大约100亿年前，宇宙整体的恒星形成速率达到历史峰值。那个时期的星系尚未耗尽它们的气体库，许多星系以今天看来暴烈的速率形成恒星。这些星系大多被它们自身恒星形成产生的尘埃所遮蔽——这使得ALMA的射电观测成为研究它们的主要工具。

尘埃星暴星系能否解释冰立方所有的中微子背景？

可能不能。目前估计为15-20%——这是一个显著的比例，但大部分背景很可能来自多个源族群共同作用：耀变体、某些超新星、伽马射线暴和星暴星系。找到更多单个确认的源是唯一能确定各自比例的方法。

这一研究方向接下来会发生什么？

冰立方合作组正在扩展其搜寻，将高能事件与ALMA的尘埃星暴星系巡天进行交叉匹配。下一代冰立方（IceCube-Gen2）目前正在设计，将扩大探测器并提高方向分辨率，缩小每次事件后需要搜索的天区。研究人员还计划针对下一批极端能量中微子进行快速ALMA后续观测。

发表于2026年6月的《自然·天文学》，暗影爆破者的探测开启了多信使天文学的新篇章：宇宙中能量最高的幽灵粒子并非仅由黑洞产生。有些来自恒星诞生如此之快、死亡如此之猛烈，以至于它们之间的气体都燃烧起来的地方。

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

标签: 天文学, ALMA, IceCube, multi-messenger astronomy, neutrino, Shadow Blaster