恒星的死亡與中微子爆發有關

編譯 王曉濤

迄今為止最確鑿的證據表明，高能中微子可能是由潮汐力形成的。潮汐力撕裂了超大質量黑洞附近的恒星。

2019年10月1日，南極洲的冰立方（IceCube）中微子觀測站檢測到一個異常高能的0.2 PeV的中微子。七小時后，加利福尼亞州的茲維基瞬變設施在光學波長下對天空進行了廣域觀測。該設施在入射中微子的90%不確定性區間內觀察到了光學波段的發射光譜。

研究人員分析了發射光譜的能流、發射光在高能中微子天區中的位置以及部分建模結果，得出結論，認為這兩種觀測結果可以聯系起來。光學發射是由一種稱為潮汐破壞事件（TDE）的明亮瞬態現象引起的，該現象在中微子爆發前一年首次被觀察到。

當恒星足夠接近超大質量黑洞以經歷“意大利面化”時，就會發生TDE——由黑洞的極端潮汐力引起物體拉伸和壓縮形成長而細的鏈。

兩篇論文提出，能量高于100 TeV的中微子，就像2019年時觀測到的事件一樣，可以在等離子體的相對論性噴流中產生。這些等離子體由此類事件發生后向外拋出的恒星碎片組成。在IceCube于2013年探測到第一批銀河系外事件之前，文獻中已經對活躍星系核（AGN）和其他可能的高能中微子發射源進行過討論。但是，由于2019年僅報告了一個TDE-中微子關聯事件，研究人員無法將TDE最終確定為高能中微子源。

現在，茲維基瞬變設施在IceCube檢測到的中微子的不確定性區間內觀察到了另一個TDE。來自德國電子同步加速器研究中心的西蒙·羅伊斯（Simeon Reusch）和來自柏林洪堡大學的馬雷克·科瓦爾斯基（Marek Kowalski）與他們的同事共同估計，這種配對再次偶然發生的概率為0.034%。這為TDE作為高能中微子源這一假設提供了更多的可信度。

星星發光，星星發亮

新觀測到的TDE位于一個AGN中。AGN是星系的明亮、致密的中心區域。這個星系距離地球44億光年，其中心有一個質量為3 150萬個太陽質量的黑洞。在某顆恒星足夠接近并被撕裂后，它的遺骸可能在黑洞周圍旋轉并受到吸積作用，開始在許多波長上明亮地發光。

該瞬態耀斑于2019年5月在茲維基瞬變設施中首次被發現，并于2019年8月達到峰值光度。相關的中微子在九個月后被IceCube檢測到，此時耀斑的流量已經減少約30%。這種耀斑通常持續數月。截至2022年6月，這一耀斑仍然可以被檢測到。

圖1 當一顆比太陽大得多的恒星接近距離地球44億光年的星系中心的超大質量黑洞時，潮汐破壞事件發生了。在此圖中，來自中心潮汐力的輻射蒸發了其附近的塵埃。半光年外，更遙遠的紅色塵埃升溫并開始在紅外波長下發光。該塵埃回波是在事件發生的初始光學發射現象幾個月后檢測到的。該事件還發射了等離子體射流

TDE并不是耀斑的唯一可能來源，它也可能直接來自AGN。由于AGN的數量遠遠超過TDE，因此它們的發射光更為常見。耀斑的首批數據表明，它可能是一顆超亮的超新星——這是一種恒星的爆炸現象，其光度至少是典型超新星的10倍。為了更好地確定TDE是不是光學發射源，羅伊斯和科瓦爾斯基等人對幾乎跨越了整個電磁波譜的耀斑測量結果進行了研究。

一些最有用的證據來自eROSITA望遠鏡，它是俄羅斯與德國合作研發的Spektr-RG衛星的一部分。儀器對假定產生TDE的天區開展了四次掃描。在2021年3月的第三次掃描中，它在耀斑的峰值光度下降后檢測到低能量的X射線發射，這對于超亮超新星來說是非常罕見的。

姍姍來遲的紅外線

支持TDE的第二個關鍵證據來自NEOWISE空間望遠鏡收集的中紅外觀測數據。NEOWISE是美國宇航局重新啟用的廣域紅外巡天探測器，其當前任務是識別和表征近地天體。中紅外觀測顯示，事件的紅外光度峰值非常奇怪地滯后于光學發射峰值近一年。

“這種時間延遲讓我們想到了塵埃回聲。” 羅伊斯說。圖 1 是顯示了AGN被之前存在的塵埃云包圍的藝術插圖；當光線穿過時，它升溫并開始發光。恒星附近的塵埃被TDE的輻射摧毀，只留下了距離TDE十分遙遠的塵埃。

在塵埃回波這一解釋中，TDE發出的一些紅外光被周圍的塵埃吸收并重新發射。TDE直接沿著視線行進的光首先到達地球。最初垂直于視線或從遠端發射的加熱粉塵的紅外光則必須傳播得更遠，因此比光學發射晚幾個月到達。

羅伊斯和科瓦爾斯基等人首先使用單個黑體作為輻射源模擬來自TDE的紅外、光學及紫外線。但結果與觀測的光譜形狀不一致。他們發現，最合適的模型來自一個由兩個不同溫度下的黑體組成的模型：一個用于TDE的發射，另一個用于紅外塵埃回波的發射。

噴流、圓盤還是風？

為了更好地了解異常持久的TDE如何產生高能中微子，研究小組模擬了三種可能的機制。除了相對論性噴流之外，TDE還可能來自從恒星殘骸中吸積的氣態物質盤。由于足夠強的吸積作用，圓盤冕區的碰撞等離子體可以加速粒子并產生中微子。這樣的吸積盤還可以發射一股由噴射物質組成的亞相對論風，這種物質的能量足以產生中微子。

圖2顯示了在每種可能機制中，中微子通量與能量的函數關系。這三種機制中的任何一種都可以合理地產生具有IceCube觀察到的能量（豎直虛線）的中微子。

圖2 高能中微子可能由與潮汐破壞事件相關的各種機制產生。在潮汐破壞事件中，恒星因超大質量黑洞的潮汐力而死亡。IceCube中微子天文臺在2020年檢測到的中微子（豎直虛線）的能量與幾個模型相符合。它可能是由從事件中排出的相對論性等離子體射流（深色虛線）、由恒星碎片組成的吸積盤冕區內的碰撞等離子體（實線）或射出物質的亞相對論風（淺色虛線）產生的

TDE-中微子關聯的其他細節仍然模糊不清。例如，IceCube研究人員不能從統計分析中排除中微子由地球上的大氣過程形成的可能性。他們得出結論，中微子僅有59%的可能性具有天體物理的起源。

多信使天體物理學

最早在2023年，我們就有可能探測到更多的TDE并更好地建立它們與高能中微子的關系。原名為大型綜合巡天望遠鏡的薇拉·魯賓天文臺目前正在智利建造。如果它可以看到天空的第一縷光，它的寬視場西蒙尼巡天望遠鏡每隔幾個晚上就可以拍攝整個天空。

如果TDE-中微子關聯確實存在，那么TDE必須是極其高效的粒子加速源。高能中微子的能量比最令人震驚的地面粒子加速器所能達到的能量還要高出許多個數量級，而且它們到達地球時基本上沒有受到干擾。

因此，高能中微子是多信使天體物理實驗室的自然組成部分。它不能像傳統的實驗室實驗那樣被控制或復制，但它可以用來研究高能過程并測試粒子物理學的基本思想。

例如，宇宙中一些最密集、能量最高的環境是在超新星中發現的。由于中微子非常輕，并且僅存在弱核力相互作用，因此它們可以穿過超新星的致密核心并探測那里的情況。

理論上，中微子也有望在中子星合并期間產生。在2017年的雙中子星合并事件后，我們沒有觀察到引力波和伽馬射線暴。盡管如此，對它們的追尋仍在繼續。它們可能會提供有關中子星合并密度以及能量如何從中消散的信息——如果我們能夠檢測到的話。

資料來源Physics Today